三維激光掃描技術(shù)在防空洞體積測量中的應(yīng)用

阮磊雷

（馬鞍山測繪技術(shù)院有限公司）

防空洞作為軍民生產(chǎn)生活的避難所，在我國一定時期內(nèi)做出了不可磨滅的歷史貢獻(xiàn)。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有些防空洞已消失應(yīng)有的作用，需要在社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)中予以拆除。安徽省某鋼鐵廠提質(zhì)擴(kuò)能，需對廠區(qū)一山體進(jìn)行開挖平整建設(shè)新廠房，山體內(nèi)一防空洞也應(yīng)拆除，為準(zhǔn)確獲得山體的開挖量，需對山體內(nèi)的防空洞進(jìn)行體積測量。傳統(tǒng)的測量多數(shù)利用斷面法求得防空洞的體積，主要采用全站儀對設(shè)定的斷面進(jìn)行標(biāo)高采集，該法對較為規(guī)整的單分支防空洞體積測量較為有效，對于多分支防空洞和不規(guī)則洞壁的防空洞測量上誤差明顯。三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)測量方法的測量點(diǎn)單一、覆蓋面窄的困難，實(shí)現(xiàn)防空洞體積精確測量。

1 作業(yè)原理

傳統(tǒng)的體積測量以全站儀、水準(zhǔn)儀等單點(diǎn)測量的方法為主，利用斷面法、不規(guī)則三角網(wǎng)法等建立方量計算模型進(jìn)行體積計算［1］。這些傳統(tǒng)方法往往會遇到洞壁復(fù)雜多樣、數(shù)據(jù)采集困難、數(shù)據(jù)量稀疏、采集時間長等問題，致使計算的體積和實(shí)際洞室體積存在一定的差異。三維激光掃描技術(shù)在掃描速度、數(shù)據(jù)密度及非接觸性上具有一定優(yōu)勢，三維激光掃描技術(shù)在掃描速度、數(shù)據(jù)密度及非接觸性上具有一定優(yōu)勢，其主要原理如下。

三維激光掃描儀主要由測距系統(tǒng)和測角系統(tǒng)構(gòu)成，通過測距系統(tǒng)獲取掃描儀至待測點(diǎn)的距離，通過測角系統(tǒng)獲取掃描儀至待測點(diǎn)的水平角和垂直角。利用三角函數(shù)理論計算得到待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如圖1所示［2］。

設(shè)待測點(diǎn)的斜距為S，水平角為b，垂直角為a，那么待測點(diǎn)P的三維坐標(biāo)為［2］

點(diǎn)云是利用掃描儀本身的垂直和水平馬達(dá)等驅(qū)動裝置所獲取的被測物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，包括色彩、強(qiáng)度等值。

利用三維激光掃描儀，可以深入防空洞內(nèi)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，并可以直接獲取防空洞內(nèi)各種形狀復(fù)雜、不規(guī)則的防空洞表面及各洞室的實(shí)景三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而快速構(gòu)建防空洞內(nèi)的三維實(shí)體模型及計算各點(diǎn)、線、面、體所需數(shù)據(jù)。具體作業(yè)流程見圖2所示［3］。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目背景

2022年4月，安徽省某鋼鐵廠因產(chǎn)能調(diào)整需要對廠區(qū)內(nèi)一山體的部分區(qū)域進(jìn)行開挖平整修建新廠房，開挖平整過程中需計算實(shí)際開挖方量。初步踏勘發(fā)現(xiàn)山體內(nèi)有20世紀(jì)修建的防空洞，防空洞的部分范圍位于本次開挖范圍內(nèi)。防空洞高約2.5 m，寬約2.5 m，呈半圓形。防空洞由北向南貫通山體，山體內(nèi)防空洞呈現(xiàn)多分支狀態(tài)，防空洞分支路徑兩側(cè)配置若干洞室，部分洞室洞壁呈非規(guī)則狀態(tài)。實(shí)際山體開挖平整計算方量時需要扣除在開挖范圍內(nèi)的防空洞的體積。

基于測量目的需要對防空洞進(jìn)行必要的體積測量，為方便后期計算防空洞的具體涉挖方量，需在防空洞內(nèi)建立一套與地面坐標(biāo)系統(tǒng)相一致的坐標(biāo)系，并與地面坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測。

項(xiàng)目采用Faro X330D三維激光掃描儀進(jìn)行掃描作業(yè)，項(xiàng)目防空洞內(nèi)無照明設(shè)施，雜物較多。為保證三維激光掃描點(diǎn)云拼接精度，掃描測量采用標(biāo)靶拼接，防空洞分支路徑處采用預(yù)留標(biāo)靶紙方式滿足拼接要求。項(xiàng)目根據(jù)設(shè)計開挖范圍，共需設(shè)站21站。站間距離設(shè)置為小于15 m，測量速度為488 000點(diǎn)/s，在25 m時誤差為±2 mm，因防空洞內(nèi)照明設(shè)備，本次掃描不采集點(diǎn)云顏色。

2.2 開測前準(zhǔn)備

開測前準(zhǔn)備工作中除基本踏勘和方案編寫外，儀器準(zhǔn)備中除上述提及的三維激光掃描儀外，另需準(zhǔn)備控制測量使用的全站儀、棱鏡、基座等相關(guān)設(shè)備，以及必要的照明設(shè)備。

2.3 控制測量

按照項(xiàng)目要求，本次控制測量采用《城市測量規(guī)范》中二級導(dǎo)線測量相關(guān)要求，獲得相關(guān)邊角數(shù)據(jù)及垂直角數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)線計算，最終獲得控制點(diǎn)的坐標(biāo)值，見表1。

2.4 預(yù)設(shè)標(biāo)靶和測站

經(jīng)踏勘發(fā)現(xiàn)該防空洞存在多分支路徑，為方便后期拼接。需在各個分支處放置固定標(biāo)靶（至少2個以上），項(xiàng)目擬在分支處采用3個固定標(biāo)靶紙作為后期拼接依據(jù)。

整個防空洞呈現(xiàn)非直線型布局，合理布置測站位置既能獲得優(yōu)質(zhì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時能夠節(jié)省野外測量時間，本項(xiàng)目共擬布設(shè)測量26站。具體預(yù)設(shè)測站布置見圖3，點(diǎn)位為預(yù)設(shè)測站位置。

2.5 安放標(biāo)靶及掃描儀

項(xiàng)目采用的Faro X330D儀器具備傾斜補(bǔ)償功能，利用腳架進(jìn)行粗平后設(shè)置好掃描參數(shù)即可進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作。標(biāo)靶的放置應(yīng)盡可能錯落有致，高低不一，盡量不要擺放在一條直線上。本次測量在防空洞分支處洞壁上粘貼黑白靶標(biāo)紙作為留存標(biāo)靶，每處粘貼3個，以備另一條分支防空洞掃測時使用，方便數(shù)據(jù)拼接使用。

2.6 數(shù)據(jù)采集、檢查、傳輸

本次采用的Faro x330D三維激光掃描儀在采集被測物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時將標(biāo)靶信息一并采集。每站數(shù)據(jù)采集完成后，通過儀器自帶的顯示窗口對數(shù)據(jù)進(jìn)行野外檢查，主要查看內(nèi)容：①野外點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量，包括本站點(diǎn)云采集涉及的范圍、噪聲點(diǎn)云情況等，如果噪聲點(diǎn)云數(shù)據(jù)過多過密，野外判斷后期內(nèi)業(yè)無法去除、修補(bǔ)的話，可就地對本站進(jìn)行重新數(shù)據(jù)采集；②標(biāo)靶信息采集質(zhì)量，標(biāo)靶信息采集質(zhì)量關(guān)系到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)是否能完整拼接起來，主要查看標(biāo)靶的清晰度和點(diǎn)云的密度以及與被拼接站的公共標(biāo)靶個數(shù)是否滿足后期內(nèi)業(yè)處理軟件的拾取。數(shù)據(jù)采集后直接通過SD卡儲存，方便電腦傳輸。本次共完成26站三維激光點(diǎn)云采集，檢查野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量良好，各標(biāo)靶信息采集完整，公共標(biāo)靶個數(shù)滿足站間拼接要求，SD卡點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲良好。

2.7 數(shù)據(jù)預(yù)處理

項(xiàng)目利用Leica Cyclone軟件對26站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和去噪作業(yè)，完成拼接和去噪作業(yè)后的數(shù)據(jù)仍有3 GB，如此龐大的數(shù)據(jù)不利于計算機(jī)的運(yùn)算，所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減。數(shù)據(jù)縮減的方法很多，但基本原則為縮減后的數(shù)據(jù)不改變被測物體的本來特征。本項(xiàng)目除2個防空洞洞室洞壁未用混凝土粉飾過，其他區(qū)域均已完成規(guī)則化處理。項(xiàng)目決定采用Leica Cyclone軟件按照步長0.03 m進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減，最終獲得1.2 GB的數(shù)據(jù)［4］。

按照項(xiàng)目目的需通過查清開挖范圍內(nèi)的防空洞的體積計算整個山體開挖后獲得的實(shí)際體積，所以拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要與整體控制網(wǎng)保持一致，方便界定防空洞體積具體計算范圍。利用前期控制測量獲得的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用全站儀對粘貼固定的標(biāo)靶紙中心坐標(biāo)進(jìn)行采集，利用Leica Cyclone軟件對均勻分布在整個防空洞內(nèi)的3處標(biāo)靶進(jìn)行配準(zhǔn)，獲得整體精度優(yōu)于5 cm的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，滿足防空洞體積計算要求。

2.8 防空洞體積計算

體積計算大體是采用對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建的方法，由防空洞洞壁向地面投影形成一個個三棱柱，再對所有的三棱柱進(jìn)行積分求和。這種方法對底面絕對水平的防空洞是有效的，但事實(shí)上大多數(shù)的防空洞底部總體上是上下起伏的，局部上也是凹凸不平的。所以防空洞體積計算需要進(jìn)行2次三棱柱體積積分，即首先求得洞壁至底面最低處形成的所有三棱柱的體積，再求得底面至底面最低處的所有三棱柱的體積，兩者之差即為防空洞的體積［1，5］。

項(xiàng)目利用Cyclone 3DR軟件構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)，之所以采用Delaunay三角網(wǎng)是基于該三角網(wǎng)的2個特性：空外接圓性質(zhì)和接近等邊三角形的性質(zhì)［3-4］。因項(xiàng)目要求，需對范圍內(nèi)的防空洞按段按洞室進(jìn)行體積計算，利用Cyclone 3DR軟件中分析菜單欄下的體積功能，逐個繪制需要計算的區(qū)域范圍，模式選擇自定義水平面，完成各段體積計算，具體計算結(jié)果見圖4及表2。

3 成果質(zhì)量檢查

選取分段2作為三維激光掃描儀和全站儀體積計算比對的對象，全站儀采用斷面法采集計算分段體積，三維激光掃描技術(shù)采用三角網(wǎng)Delaunay的方法采集計算分段體積。

該分段全長15 m，洞室最高處約2 m，最寬處約2.2 m。首先分析全站儀斷面法在什么樣的步長斷面下，求得的體積接近真值。全站儀分別按照步長1、2、5、15 m進(jìn)行斷面測量，每條斷面均勻測量10個點(diǎn)，三維激光掃描儀按照足夠點(diǎn)云密度掃測即可。通過計算發(fā)現(xiàn)全站儀量測時，步長越短，體積曲線越緩和，趨向于某個真值，見圖5。

將全站儀斷面法斷面步長為1 m測得的體積與三維激光掃描技術(shù)采用的三角網(wǎng)Delaunay方法測得的體積進(jìn)行比較，其相對誤差在1%以內(nèi)，見表3。

4 結(jié)論

（1）全站儀斷面法采用的斷面步長越小，獲得的體積越與三維激光掃描技術(shù)采用的三角網(wǎng)構(gòu)建方法獲得的體積越接近。

（2）三維激光掃描技術(shù)能很好地解決復(fù)雜表面的數(shù)據(jù)采集，形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有一定的密度，對提高體積計算的精度具有相當(dāng)大的作用。