三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道檢測(cè)中的精度分析

占曉明 鄭佳佳 袁珊麗

(浙江華東測(cè)繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州310014)

1 引言

近年來(lái)，隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵隧道災(zāi)害變得尤為突出，其安全隱患主要包括隧道結(jié)構(gòu)的變形、滲水、脫落、裂縫等[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)量方法由于自身局限性，如全站儀檢測(cè)方法采集密度低、速度慢、效率低，近景攝影測(cè)量對(duì)工作環(huán)境光線要求高，越來(lái)越難以滿足隧道檢測(cè)要求。

三維激光掃描技術(shù)發(fā)展于上世紀(jì)90 年代，作業(yè)方式具有非接觸、高效率、高密度和數(shù)字化等特點(diǎn)，被稱為繼GNSS 導(dǎo)航定位技術(shù)之后測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命[2-3]。本文分別采用架站式三維激光掃描儀和移動(dòng)式三維激光描儀采集數(shù)據(jù)，并以全站儀測(cè)量結(jié)果作為精度評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量成果進(jìn)行精度分析，驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)的可用性。

2 三維激光掃描技術(shù)工作原理

2.1 架站式三維激光掃描原理

架站式三維激光掃描系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)測(cè)量中的全站儀，由激光掃描儀及控制系統(tǒng)、內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)、后期處理軟件等組成。在儀器內(nèi)，通過(guò)兩個(gè)同步反射鏡快速旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域，通過(guò)測(cè)量時(shí)間或相位差計(jì)算距離，再根據(jù)脈沖激光發(fā)射角度，計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

架站式三維激光掃描儀通常使用儀器內(nèi)部自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，掃描儀的激光發(fā)射點(diǎn)為坐標(biāo)點(diǎn)O，Y軸為激光束發(fā)射方向，Z軸豎直向上，X軸垂直于YOZ面。三維坐標(biāo)測(cè)量原理如圖1 所示。

公式（1）中，S是被測(cè)物體表面任意點(diǎn)P到掃描儀激光發(fā)射點(diǎn)O的斜距，水平角α是橫向掃描角度值，豎直角β是縱向掃描角度值。因此，可根據(jù)距離值S、水平角度值α和豎直角度值β求出任意點(diǎn)P的三維坐標(biāo)。

圖1 三維坐標(biāo)測(cè)量原理圖

2.2 移動(dòng)式三維激光掃描原理

將掃描點(diǎn)相對(duì)掃描中心的二維坐標(biāo)與移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)位移數(shù)據(jù)綁定，即可得到掃描點(diǎn)三維坐標(biāo)。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

實(shí)驗(yàn)在杭州某運(yùn)營(yíng)地鐵隧道中進(jìn)行，在選定區(qū)間的地鐵軌道兩側(cè)合適位置布置黑白棋盤靶標(biāo)作為特征點(diǎn)，依次采用TM50 全站儀、FARO S70 架站式三維激光掃描儀、GRP5000 移動(dòng)式三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量。

3.1 FARO S70 架站式三維激光掃描儀作業(yè)流程

FARO S70 架站式三維激光掃描儀掃描分辨率設(shè)置為1/4，質(zhì)量精度為3 倍，掃描儀需嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)平設(shè)置，打開(kāi)補(bǔ)償器，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量禁止人員走動(dòng)。掃描儀工作原理為單點(diǎn)測(cè)量，其中正交入射精度最高，測(cè)試中所有斷面數(shù)據(jù)盡可能滿足正交入射。實(shí)驗(yàn)所有測(cè)量數(shù)據(jù)不采取拼接形式，后處理數(shù)據(jù)直接在原始點(diǎn)云提取斷面。

3.2 GRP5000 移動(dòng)式三維激光掃描儀作業(yè)流程

分別采用50Hz、20000 點(diǎn)每圈和100Hz、10000 點(diǎn)每圈采集數(shù)據(jù)，一人推行小車采集數(shù)據(jù)，一人記錄。GRP5000 移動(dòng)式三維激光掃描儀按規(guī)定在選定區(qū)間采集三次同向數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)人員記錄臺(tái)賬。采用最新版本RAIL 處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)斷面嚴(yán)格按現(xiàn)場(chǎng)布置標(biāo)志點(diǎn)提取。

4 精度分析

使用的儀器在數(shù)據(jù)采集時(shí)有各自的坐標(biāo)系，統(tǒng)一坐標(biāo)系會(huì)帶來(lái)額外的工作量及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差。因此，實(shí)驗(yàn)不采用直接對(duì)點(diǎn)坐標(biāo)分析方法，而是將儀器自身坐標(biāo)系統(tǒng)下獲得的各靶標(biāo)中心點(diǎn)間距作為最終成果進(jìn)行分析。GRP5000 移動(dòng)式三維激光掃描儀點(diǎn)云采集方式為線掃描模式，分別采用50Hz 和100Hz 掃描頻率進(jìn)行了10 次同向數(shù)據(jù)采集，并用白塞爾公式計(jì)算了誤差，成果統(tǒng)計(jì)如表1 所示。50Hz 掃描頻率下，測(cè)量成果最弱點(diǎn)中誤差為±0.9 mm，100Hz 掃描頻率下，最弱點(diǎn)中誤差為±1.8 mm，50Hz 掃描頻率測(cè)量成果精度更高。

表1 GRP5000移動(dòng)式三維激光掃描儀在50Hz和100Hz下測(cè)量結(jié)果差值及各自中誤差

各測(cè)量系統(tǒng)間差值比如表2 所示，TM50 全站儀與FARO S70 架站式三維激光掃描儀測(cè)量結(jié)果相仿，最大差值為1.8 mm，GRP5000 移動(dòng)式三維激光掃描儀與TM50 全站儀、FARO S70 架站式三維激光掃描儀的較差較大，最大差值分別為4.6 mm 和4.7 mm。實(shí)驗(yàn)中FARO S70 架站式三維激光掃描儀只進(jìn)行了單站掃描，因此沒(méi)有點(diǎn)云拼接誤差，數(shù)據(jù)后處理過(guò)程采用曲面擬合的方式自動(dòng)提取靶標(biāo)中心點(diǎn)，故精度較高。GRP5000 移動(dòng)式三維激光掃描儀由人工提取靶標(biāo)，所以誤差產(chǎn)生原因除儀器本身精度和掃描頻率外，也與人工識(shí)別靶標(biāo)有關(guān)。

表2 各測(cè)量系統(tǒng)間差值對(duì)比

5 結(jié)論

本文通過(guò)在地鐵隧道中分別使用三種測(cè)量?jī)x器對(duì)所布設(shè)靶標(biāo)中心進(jìn)行提取計(jì)算并分析，得出以下結(jié)論：

（1）GRP5000 移動(dòng)式三維激光掃描儀采用50Hz頻率比100Hz 頻率精度更高，但兩者相差不大。與100Hz 掃描頻率相比，采用50Hz 頻率掃描作業(yè)時(shí)間更長(zhǎng)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需空間更大，數(shù)據(jù)處理時(shí)間更久，因此作業(yè)前可根據(jù)自身所需精度選擇合適的掃描頻率。

（2）FARO S70 架站式三維激光掃描儀達(dá)到TM50全站儀的精度，兩者差值在2 mm 以內(nèi)；GRP5000 移動(dòng)式三維激光掃描儀精度稍差，與TM50 全站儀差值在5 mm 以內(nèi)。

通過(guò)與傳統(tǒng)測(cè)量方式的成果進(jìn)行精度對(duì)比，實(shí)驗(yàn)證明了三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道檢測(cè)中的可用性，也為該技術(shù)的深入應(yīng)用提供了依據(jù)。