三維激光掃描在溶洞勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

胡開(kāi)承（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙410008）

三維激光掃描在溶洞勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

胡開(kāi)承（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙410008）

三維激光掃描技術(shù)具備準(zhǔn)確性、動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性等特征，并且還可獲得空間三維數(shù)據(jù)，是當(dāng)前測(cè)繪行業(yè)中最新的一種應(yīng)用技術(shù)。如何將這一技術(shù)應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，并與現(xiàn)有系統(tǒng)接軌，是我們面臨的主要問(wèn)題。在某高速公路溶洞探測(cè)項(xiàng)目中，我們充分利用激光掃描這一先進(jìn)技術(shù)對(duì)溶洞進(jìn)行全方位掃描，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理研究，取得了良好的效果，并與設(shè)計(jì)軟件有效銜接，方便設(shè)計(jì)的進(jìn)行。

三維激光掃描；工程測(cè)量；應(yīng)用

1 引言

在工程的勘察設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常碰到溶洞這一特殊地質(zhì)條件，由于溶洞一般結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，內(nèi)部環(huán)境非常惡劣，常規(guī)測(cè)量施測(cè)非常困難。三維激光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為溶洞的勘察設(shè)計(jì)提供了全新的技術(shù)手段，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行掃描，且沒(méi)有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。它具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，可以極大地降低成本，節(jié)約時(shí)間，而且使用方便。

此情況下，對(duì)三維激光怎么掃描、掃描數(shù)據(jù)怎么處理、怎么使用這一新的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行深入的分析具有十分重要的意義。

程測(cè)量作業(yè)中，三維激光掃描已經(jīng)獲得了十分廣泛的應(yīng)用，可有效降低作業(yè)成本，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，使用也較為便利，輸出格式直接與CAD、三維動(dòng)畫(huà)等工具軟件接口。但是在使用的過(guò)程中也存在不少問(wèn)題有待解決。

2 三維激光掃描的技術(shù)原理與系統(tǒng)組成

2.1 技術(shù)原理

對(duì)于三維激光掃描技術(shù)的核心原理，即為在激光距離測(cè)量與步進(jìn)角度測(cè)量，在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量作業(yè)時(shí)，三維激光掃描儀能夠?qū)Υ郎y(cè)量建筑物的某一個(gè)目標(biāo)面發(fā)射激光，之后再通過(guò)激光發(fā)射與反射被儀器接收到的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，形成時(shí)間差，以此來(lái)對(duì)實(shí)際距離值進(jìn)行一定的計(jì)算。同時(shí)，其還能夠記錄、計(jì)算水平與垂直方向的角度值，以獲得觀測(cè)上某一點(diǎn)的三維相對(duì)坐標(biāo)。

此外，通過(guò)連快速掃描，還可獲得若干個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這些坐標(biāo)值能夠在電腦中形成觀測(cè)目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)，在完成上述操作之后，應(yīng)用后處理軟件分析處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，僅需要采用3D建模軟件就可形成較高精度的觀測(cè)目標(biāo)虛擬三維影像，以獲得觀測(cè)目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)和詳細(xì)內(nèi)部尺寸數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組成

通常情況下，三維激光掃描系統(tǒng)主要構(gòu)成要素包括三維激光掃描儀、數(shù)字照片成像設(shè)備、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件與其他附加設(shè)備。其中，通過(guò)掃描儀的應(yīng)用，可獲得目標(biāo)三維數(shù)據(jù)；對(duì)于照片成像設(shè)備，則可對(duì)目標(biāo)原始情況進(jìn)行相應(yīng)的記錄，并且還能夠參與后期模型修正過(guò)程；對(duì)于后處理軟件，可對(duì)已經(jīng)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的讀取與處理，例如ILRIS3D掃描儀的Polyworks軟件、Leica三維激光掃描儀的Cyclone后處理軟件等，上述軟件均能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行編輯、轉(zhuǎn)換、拼接與三維建模。

3 三維激光掃描在溶洞探測(cè)中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概述

某高速公路修建時(shí)，發(fā)現(xiàn)特大型廳堂式溶洞，溶洞長(zhǎng)約150m，落差約40m，溶洞分布基本與隧道左洞軸線一致，為進(jìn)一步探明溶洞形態(tài)，方便后續(xù)處治勘察設(shè)計(jì)及施工的進(jìn)行，對(duì)溶洞進(jìn)行了三維激光掃描。

但是現(xiàn)有的隧道設(shè)計(jì)等軟件不支持點(diǎn)云輸入，為解決這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，與現(xiàn)有的隧道設(shè)計(jì)等軟件良好銜接，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)掃描后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用研究，并編制相應(yīng)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。三維激光掃描應(yīng)用，解決了溶洞隧道探測(cè)的難題，極大地提高了生產(chǎn)效率，并與現(xiàn)有設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。

3.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

控制布設(shè)：

在掃描前先行進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，將隧道控制引入溶洞區(qū)域。高程精度以四等水準(zhǔn)要求進(jìn)行控制。

以隧道施工控制點(diǎn)作為起算數(shù)據(jù)，使用2“級(jí)全站儀，采用一級(jí)導(dǎo)線，以左右線路方式形成閉合路線。

高程測(cè)量以三角高程形式測(cè)定，在平面測(cè)量時(shí)同步測(cè)量三角高程，并進(jìn)行閉合水準(zhǔn)線路平差，確保成果質(zhì)量。

在控制布設(shè)的同時(shí)，進(jìn)行靶標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

三維激光掃描儀主要采用自由架站方式進(jìn)行，僅需要選擇堅(jiān)硬穩(wěn)固的地面，并且能夠與目標(biāo)靶標(biāo)點(diǎn)通視的位置作為實(shí)際架站點(diǎn)即可。在該工程項(xiàng)目作業(yè)中，依據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況，在溶洞中架設(shè)了24個(gè)站點(diǎn)，確保每個(gè)站點(diǎn)均有5個(gè)激光掃描靶點(diǎn)。

通過(guò)布設(shè)并測(cè)定反射片，將多站掃描數(shù)據(jù)拼接成一個(gè)整體并轉(zhuǎn)換至施工坐標(biāo)系。

考慮到激光不能穿透水體，洞底積水部分采用全站儀配合棱鏡進(jìn)行人工測(cè)定，平面及高程測(cè)量點(diǎn)精度均宜＜0.05m。密度應(yīng)能保證內(nèi)差斷面精度能滿足高速公路橫斷面測(cè)量精度要求。人工測(cè)定數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)一起進(jìn)行處理。

通常情況下，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集作業(yè)中，數(shù)據(jù)掃描具有重要的作用，其主要涉及三維激光掃描與三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)刹糠謨?nèi)容。在采用三維激光掃描進(jìn)行工程測(cè)量作業(yè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)儀器指標(biāo)與工程實(shí)際情況，明確具體掃描間距、掃描距離與標(biāo)靶位置，在掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，應(yīng)當(dāng)能夠分辨出標(biāo)靶中心位置，還需要對(duì)遮擋問(wèn)題進(jìn)行高度關(guān)注。

3.3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

對(duì)于激光掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是以掃描儀位置為零點(diǎn)的局部坐標(biāo)系，亦即每次經(jīng)掃描而得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系是獨(dú)立和不相關(guān)聯(lián)的。但實(shí)際上每幅點(diǎn)云陣數(shù)據(jù)都是掃描場(chǎng)景的一部分，那么有必要將這些點(diǎn)云數(shù)陣據(jù)轉(zhuǎn)化到同一坐標(biāo)系里。所以要對(duì)得到的點(diǎn)云陣數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接匹配，其常規(guī)方法是利用選擇兩幅掃描圖像的公共點(diǎn)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)拼接，選擇完成后軟件可自動(dòng)完成匹配并可查看拼接匹配誤差。這樣便將各個(gè)掃描文件獨(dú)立的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為以導(dǎo)入拼接軟件的第一幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)的局部坐標(biāo)為整個(gè)掃描場(chǎng)景的坐標(biāo)。然后可利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以使掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的方位、位置完全一致。

項(xiàng)目在進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理作業(yè)時(shí)，先將通過(guò)三維激光掃描儀掃描獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入RIEGL自帶的點(diǎn)云處理軟件RISCANPRO，然后對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。依據(jù)每個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)間重疊區(qū)域數(shù)據(jù)特征進(jìn)行自動(dòng)拼接，并將拼接坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至施工坐標(biāo)系下。通過(guò)詳細(xì)的檢查發(fā)現(xiàn)，該工程拼接精度優(yōu)于5mm。

測(cè)量數(shù)據(jù)最重要的用途是使用，因此，為了方便數(shù)據(jù)的使用，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的進(jìn)一步處理，處理包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的縮減、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數(shù)據(jù)的處理、模型簡(jiǎn)化和紋理映射等。方便模型的可視化表達(dá)。

同時(shí)，數(shù)據(jù)的使用不光是展示，更重要的是應(yīng)用，因此數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)換，提供程序開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)使用。因而項(xiàng)目轉(zhuǎn)換生成經(jīng)處理的拼接的掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)，以及AutoCAD的DXF激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和3角網(wǎng)面模型數(shù)據(jù)供勘察設(shè)計(jì)的進(jìn)一部使用。

3.4 激光數(shù)據(jù)的拓展運(yùn)用

為了便于隧道工程設(shè)計(jì)的使用，我們針對(duì)公路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)相關(guān)程序?qū)c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的拓展使用。

斷面的截?。?/p>

（1）緩沖區(qū)的選定

在數(shù)據(jù)的處理中，首先要明白一點(diǎn)，點(diǎn)云的密度是有限的，在數(shù)據(jù)處理中，過(guò)大的密度會(huì)增大系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。因此在實(shí)際運(yùn)用中，點(diǎn)云的密度是有限的。

在這有限密度的點(diǎn)云中截取斷面，精確位于斷面上的點(diǎn)是稀疏的，不利于數(shù)據(jù)的利用，因此有必要設(shè)置一個(gè)緩沖區(qū)，使與斷面一定偏差內(nèi)的數(shù)據(jù)均于斷面上顯示，同時(shí)因此根據(jù)點(diǎn)云的密度選定適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)，是相應(yīng)范圍的掃描點(diǎn)作為斷面數(shù)據(jù)點(diǎn)。使斷面上掃描點(diǎn)能足夠反映現(xiàn)場(chǎng)情況，精度又能滿足項(xiàng)目的需要。同時(shí)為進(jìn)一步提高判別精度，對(duì)于不同偏差點(diǎn)設(shè)置不同的顏色。緩沖區(qū)的選定應(yīng)根據(jù)規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)情況靈活選定。

（2）斷面的截取

首先根據(jù)公路線形，生成相應(yīng)的縱橫斷面。一般情況下，公路線形是一條直線的時(shí)候較少，因此隨機(jī)軟件中的斷面生成不能滿足工程的需要。同時(shí)根據(jù)公路里程及標(biāo)高生成縱斷面圖。橫斷面根據(jù)線路的切線垂線方向確定斷面方向，根據(jù)設(shè)定的斷面距離自動(dòng)生成相應(yīng)里程的橫斷面。同時(shí)可根據(jù)需要生成任意斷面。方便勘察設(shè)計(jì)的進(jìn)行（見(jiàn)圖1～2）。

圖1 縱、橫斷面數(shù)據(jù)

圖2 任意斷面數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)文件生成

點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成后，擬合出斷面線，并根據(jù)設(shè)定的濾波閥值進(jìn)行優(yōu)化，并生成設(shè)計(jì)需要格式的數(shù)據(jù)文件。

（4）等高點(diǎn)云數(shù)據(jù)

同時(shí)為方便設(shè)計(jì)人員對(duì)于洞內(nèi)情況的了解，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，避免數(shù)據(jù)重疊影響設(shè)計(jì)人員的判讀。同時(shí)生成易于判讀的等高線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)不同層數(shù)據(jù)分色顯示，方便設(shè)計(jì)及其他人員的使用。如設(shè)計(jì)人員可選區(qū)相應(yīng)高程數(shù)據(jù)可生成洞頂?shù)匦螆D、洞底地形圖、側(cè)視等距圖等方便外業(yè)勘測(cè)人員的現(xiàn)場(chǎng)使用以及設(shè)計(jì)的進(jìn)一步進(jìn)行。

圖3 彩色等高線點(diǎn)云地形圖（洞底）

圖4 側(cè)視等距圖

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在當(dāng)前工程測(cè)量作業(yè)中，三維激光掃描技術(shù)由于出現(xiàn)較晚，其運(yùn)用受環(huán)境及勘察設(shè)計(jì)軟件的制約，但由于其具備無(wú)法比擬的特殊優(yōu)勢(shì)，所以在進(jìn)行工程測(cè)量作業(yè)時(shí)，應(yīng)積極探索數(shù)據(jù)處理的進(jìn)一步完善，并將三維激光測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)量方法聯(lián)合作業(yè)，以滿足工程實(shí)際需要，促進(jìn)我國(guó)工程測(cè)量行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

［1］馬 利，謝孔振，白文斌，等.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用［J］.北京測(cè)繪，2011（02）：48～51.

［2］郁凱帆，蔣小琴.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用研究［J］.建材與裝飾，2015（47）：56～58.

P225.2

A

2095-2066（2016）29-0111-02

2016-9-28

胡開(kāi)承（1976-），男，高級(jí)工程師、注冊(cè)測(cè)繪師，碩士，主要從事公路水運(yùn)勘測(cè)工作。