三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用—以Trimb b l l e e G G X X掃描儀為例

河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì) 張喜妮 王合理

三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用—以Trimb b l l e e G G X X掃描儀為例

河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì) 張喜妮 王合理

一、三維激光掃描技術(shù)

目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)在文物保護(hù)、古建筑物修繕等方面得到了廣泛應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪行業(yè)中的應(yīng)用尚處于發(fā)展階段，但其快速、準(zhǔn)確、全面的優(yōu)勢(shì)是常規(guī)測(cè)繪手段無法比擬的。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵、高速公路里程逐年增加，技術(shù)指標(biāo)要求也越來越高，如何快速、精確地監(jiān)測(cè)隧道變形也變得越來越為重要。Trimble GX掃描儀能夠很好地勝任這些工作。與常規(guī)測(cè)繪技術(shù)相比，Trimble GX三維激光掃描儀不僅可以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，還可以建立三維模型，自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出相應(yīng)的結(jié)果，是一種高效的隧道變形監(jiān)測(cè)手段。

二、Trimble GX掃描儀相關(guān)參數(shù)

儀器型號(hào)為Trimble GX（全進(jìn)口），由美國(guó)天寶公司生產(chǎn)，采用脈沖式掃描方式，掃描速度5 000點(diǎn)/s，掃描范圍2～350m，掃描過程由電腦控制，不僅可以方便地設(shè)置掃描區(qū)域，以及掃描彩色點(diǎn)云，同時(shí)還能保證測(cè)量精度。

三、Trimble GX掃描儀的優(yōu)勢(shì)

1.測(cè)量速度快。三維掃描儀的測(cè)量速度是常規(guī)測(cè)繪的數(shù)十倍乃至百倍，收集的數(shù)據(jù)也更為完整。

2.測(cè)量精度高。測(cè)量精度的高低會(huì)決定后續(xù)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確與否。三維激光掃描儀的測(cè)量精度主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是儀器標(biāo)稱的精度高，二是點(diǎn)云質(zhì)量高。較高的測(cè)量精度和點(diǎn)云質(zhì)量可以為后處理提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并減少后處理的難度。Trimble GX掃描儀獲得的點(diǎn)云均勻、細(xì)密、噪點(diǎn)少，可以為后續(xù)的處理提供了很好的原始數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)結(jié)果更準(zhǔn)確。

3.采用非接觸測(cè)量方式，安全性高。Trimble GX通過非接觸的激光掃描，遠(yuǎn)程完成了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)保存在筆記本電腦中，工作人員不需要去危險(xiǎn)的區(qū)域就能收集到數(shù)據(jù)。

四、Trimble GX掃描儀的作業(yè)流程

1.外業(yè)流程。

（1）進(jìn)行三維掃描前，首先搜集現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)信息，以便充分掌握該測(cè)區(qū)及周邊的情況。抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之后，再根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)置掃描路線，依據(jù)完整采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原則布設(shè)掃描站點(diǎn)，合理確定掃描儀的采樣密度，其大小會(huì)直接影響后期處理的精度。

（3）掃描時(shí)，三維激光掃描儀直接與筆記本電腦連接，并通過配套的PointScape軟件，將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，其原始數(shù)據(jù)格式為*.ppf。為進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，應(yīng)將原始掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)變?yōu)?.asc。

（3）掃描后的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)拼接，拼接完成后，應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要為刪減冗余或剔除無效數(shù)據(jù)，這是因?yàn)橥鈽I(yè)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)難免會(huì)產(chǎn)生各類噪聲，所以需要利用軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修剪。數(shù)據(jù)拼接后并確定數(shù)據(jù)完整后，就可以轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)處理了；否則繼續(xù)補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)，直到完整為止。

2.內(nèi)業(yè)流程。

（1）數(shù)據(jù)配準(zhǔn)階段。把點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入RealWorks 6.5中，首先在配準(zhǔn)模塊里進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)的精度應(yīng)小于2mm，配準(zhǔn)后生成配準(zhǔn)報(bào)告，并進(jìn)行詳細(xì)檢查，直到所有站之間的配準(zhǔn)誤差不超過2mm為止。

（2）數(shù)據(jù)分析階段。選擇OfficeSurvey模塊，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前先建立1個(gè)原先設(shè)計(jì)的模型，以方便與現(xiàn)場(chǎng)采集的點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)隧道的變形量。把模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到一起，然后選擇“面與面檢測(cè)工具”，選擇圓柱作為變形監(jiān)測(cè)的投影面，然后依次選擇“預(yù)覽”、“檢測(cè)圖分析器”，就可分析各個(gè)斷面的變形情況了。此外，也可以分析隧道的整體變形情況，并生成報(bào)告，某斷面的隧道變形情況如圖1所示，也可以對(duì)幾次測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以方便快捷地分析變形趨勢(shì)。

圖1 某斷面的隧道變形情況

五、結(jié)論

1.三維激光掃描儀可以一次快速、完整、全方位地采集隧道內(nèi)部的表面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以計(jì)算出任意斷面的變形量。這克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法只能間隔一定距離測(cè)量某一斷面數(shù)據(jù)的弊端，加快了數(shù)據(jù)采集速度，提高了數(shù)據(jù)處理效率。特別是對(duì)于地鐵隧道等運(yùn)營(yíng)間斷時(shí)間短的隧道安全檢測(cè)來說，是一種有效的方法。

2.采用三維激光掃描技術(shù)，一個(gè)車站段的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析變形結(jié)果輸出只需一周時(shí)間。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，大大提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)強(qiáng)度，縮短了變形監(jiān)測(cè)周期。

綜上，隨著我國(guó)城市化建設(shè)步伐地加快，大量大型工程建設(shè)項(xiàng)目陸續(xù)展開，綜合利用探測(cè)監(jiān)測(cè)新手段，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，滿足了隧道監(jiān)測(cè)工作的要求，為監(jiān)測(cè)工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，在隧道檢測(cè)工作中發(fā)揮著不可替代的作用。

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