移動(dòng)激光掃描技術(shù)在隧道工程檢測(cè)中的應(yīng)用

劉志宏

（北京高鐵工務(wù)段，北京 100071）

現(xiàn)階段，我國(guó)隧道工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也非常惡劣，對(duì)于隧道工程檢測(cè)技術(shù)要求較高。傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)主要是單點(diǎn)檢測(cè)，環(huán)境的影響比較大，而三維激光掃描技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間的全面掃描，能夠直接獲取全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，在系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)建三維模型，讓隧道工程質(zhì)量控制有序展開。

1 移動(dòng)激光掃描技術(shù)

1.1 概念

移動(dòng)激光掃描技術(shù)采用的是激光測(cè)距的原理實(shí)現(xiàn)非接觸、快速獲取地物目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理（影像）數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行三維建模，以此可以將復(fù)雜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以三維的形式展示給相關(guān)工作人員，為空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)提供豐富的數(shù)據(jù)源。其在實(shí)際應(yīng)用中主要使用的設(shè)備是移動(dòng)激光掃描儀，在激光測(cè)距儀與反射棱鏡的支持下完成測(cè)距掃描，同時(shí)其還集成了激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、軟件及附屬設(shè)備，測(cè)量速度較快，獲取的數(shù)據(jù)信息精確度也比較高。當(dāng)前的隧道掃描檢測(cè)方式主要包含固定掃描與移動(dòng)掃描兩種。固定掃描系統(tǒng)以分站掃描方式為主，外業(yè)測(cè)量之后獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云拼接、優(yōu)化以及數(shù)據(jù)修復(fù)處理，然后能夠反映出隧道的全景，體現(xiàn)出隧道的真實(shí)形態(tài)。該技術(shù)的劣勢(shì)就是效率較低，靈活性也不如移動(dòng)掃描技術(shù)，但是數(shù)據(jù)精度非常高，尤其是一些高精度的場(chǎng)合，應(yīng)用固定掃描技術(shù)效果非常好。

1.2 原理及特點(diǎn)

在移動(dòng)激光掃描技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，首先需要激光測(cè)距儀發(fā)射激光，進(jìn)入隧道的激光會(huì)發(fā)生反射，測(cè)距儀在接收反射回的激光信號(hào)，這一來(lái)回就完成了測(cè)距作業(yè)。之后建立起自定義坐標(biāo)系，移動(dòng)激光掃描儀發(fā)射器發(fā)射激光脈沖信號(hào)，激光脈沖信號(hào)進(jìn)入到隧道中遇到自然物就會(huì)形成漫反射并最終反傳至接收器中，在此基礎(chǔ)上精準(zhǔn)測(cè)量激光脈沖橫向與縱向掃描角度觀測(cè)值，最后運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)處理軟件將所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。移動(dòng)激光掃描技術(shù)具有如下特點(diǎn)，一是具有快速性，通過(guò)操作移動(dòng)激光掃描儀就能夠?qū)λ淼纼?nèi)部空間進(jìn)行快速的掃描，并得出數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)也會(huì)及時(shí)進(jìn)行更新；二是采樣率比較高，掃描過(guò)程中可以大面積采集目標(biāo)物體的表面信息，同時(shí)采集數(shù)據(jù)速度達(dá)到每秒幾萬(wàn)點(diǎn)到幾百萬(wàn)點(diǎn)之間；三是具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、主動(dòng)性，借助移動(dòng)激光掃描儀，開展工作的時(shí)候不會(huì)受到光照、氣壓等外界條件的影響。

1.3 固定式掃描儀

固定式三維激光掃描儀在測(cè)繪過(guò)程中，需要通過(guò)外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)工作步驟。外業(yè)掃描是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察、控制點(diǎn)埋設(shè)、設(shè)置標(biāo)靶、選擇架站、采集數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)，而內(nèi)業(yè)則是進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云優(yōu)化、點(diǎn)云融合等工作。

點(diǎn)云拼接是目前實(shí)現(xiàn)多站掃描的重要環(huán)節(jié)，將獲取的掃描數(shù)據(jù)通過(guò)拼接的方式形成整體，通常有如下兩種方式：根據(jù)標(biāo)靶拼接或者根據(jù)點(diǎn)云視圖拼接。如果所有測(cè)量站點(diǎn)是絕對(duì)坐標(biāo)系掃描后獲取的，不需要通過(guò)拼接處理，直接將全部的掃描數(shù)據(jù)復(fù)制到一起就可以形成整體圖形。如果外業(yè)測(cè)量之后獲取的是標(biāo)靶相對(duì)坐標(biāo)，就要通過(guò)標(biāo)靶拼接方式形成整體，這時(shí)需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)相同名稱的標(biāo)靶名，且實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換處理。為了保證外業(yè)測(cè)量工作順利的開展，外業(yè)掃描環(huán)節(jié)并不會(huì)進(jìn)行標(biāo)靶處理，只需要進(jìn)行重復(fù)性掃描就可以獲取公共區(qū)域，這樣通過(guò)兩站之間的公共區(qū)域就可以實(shí)現(xiàn)拼接，形成需要的整體。通過(guò)視圖進(jìn)行拼接就是利用人的肉眼確定點(diǎn)云公共區(qū)域，及時(shí)發(fā)現(xiàn)重合點(diǎn)，利用平移、旋轉(zhuǎn)等操作，讓網(wǎng)站數(shù)據(jù)拼接形成整體，這一方式操作簡(jiǎn)單，只能在特殊條件下應(yīng)用。

1.4 移動(dòng)掃描系統(tǒng)

移動(dòng)隧道掃描系統(tǒng)在運(yùn)行中，可以把隧道和周邊空間都能夠進(jìn)行移動(dòng)掃描，也可以在露天工程或者隧道工程中應(yīng)用。這一系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)比較巧妙，工作效率較快，施工周期較短，還能夠得到精度較高的三維點(diǎn)云。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非接觸里程的整合應(yīng)用，及時(shí)隧道內(nèi)沒(méi)有GNSS 信號(hào)，也可以達(dá)到定位精度要求。系統(tǒng)內(nèi)安裝掃描儀、里程計(jì)等傳感器設(shè)備，利用移動(dòng)隧道測(cè)量系統(tǒng)可以獲取準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，操作速度比較快。在測(cè)量環(huán)節(jié)，設(shè)備在隧道內(nèi)移動(dòng)速度比較快，達(dá)到均勻、快速的要求，掃描儀能夠直接獲取正射點(diǎn)云，且保證點(diǎn)云掃描的密度和均勻性。不同物體反射率有明顯差異，在判讀數(shù)據(jù)時(shí)，利用人工輔助的方式，及時(shí)準(zhǔn)確的確定隧道滲水情況，并且標(biāo)記好里程位置。該移動(dòng)掃描系統(tǒng)應(yīng)用范圍較大，所有隧道施工、維護(hù)、管理工作都可使用。

2 基于移動(dòng)激光掃描技術(shù)的隧道檢測(cè)技術(shù)

2.1 隧道數(shù)據(jù)采集

隧道數(shù)據(jù)信息是隧道施工的基礎(chǔ)保障，在其采集過(guò)程中首先需要對(duì)隧道的實(shí)際情況有一個(gè)初步的了解，并以此確定移動(dòng)激光掃描站點(diǎn)數(shù)與具體位，其中站點(diǎn)位置應(yīng)該在其有效的掃描測(cè)程之內(nèi)。然后還要確定隧道正北方向，并且利用和掃描儀Y 軸正方向的夾角，三腳架臺(tái)面以水平狀態(tài)保持，并且將其作為基點(diǎn)完成移動(dòng)激光掃描作業(yè)，所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果需要詳細(xì)進(jìn)行記錄。三維掃描基點(diǎn)確定以后以全站儀對(duì)該基點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和記錄，從平面控制測(cè)量與高程控制測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)進(jìn)行控制測(cè)量，得出測(cè)量結(jié)果以后進(jìn)行平差計(jì)算，并以此來(lái)得出較為精準(zhǔn)的靶標(biāo)點(diǎn)位。

2.2 隧道數(shù)據(jù)處理

在隧道數(shù)據(jù)的采集環(huán)節(jié)中會(huì)得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后需要對(duì)其進(jìn)行處理，具體包括了導(dǎo)入、噪聲去除、多視對(duì)齊、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，以此來(lái)確保數(shù)據(jù)信息的科學(xué)性，并以此來(lái)為隧道施工提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。首先，需要將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照規(guī)范的數(shù)據(jù)處理流程導(dǎo)入到界面中，并將其中不存在聯(lián)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)篩選出來(lái)并清除，避免干擾問(wèn)題，該環(huán)節(jié)就屬于噪聲去除；然后進(jìn)行多視對(duì)齊，其主要目的就是為了將點(diǎn)云技術(shù)對(duì)齊與拼接，但是在掃描中經(jīng)常會(huì)遇到掃描目標(biāo)比較大得情況，或者掃描的環(huán)境比較復(fù)雜，在這種情況下還需要從不同的角度、不同的位置進(jìn)行重復(fù)性掃描；除噪、多視對(duì)齊環(huán)節(jié)完成以后還需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色與渲染，其主要目的是獲得更加真實(shí)的數(shù)據(jù)效果，提高移動(dòng)激光掃描技術(shù)的應(yīng)用效果，需要注意的是，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的工作結(jié)束后，需要根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)拼接處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)可以轉(zhuǎn)換至大地坐標(biāo)系上。

3 移動(dòng)激光掃描技術(shù)在某隧道工程檢測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 工程概況

本研究以我國(guó)某城市交通工程隧道為例，樁號(hào)為K523+644 ～K524+814，全長(zhǎng)1.1km，本次檢測(cè)使用激光掃描技術(shù)采集目標(biāo)隧道的三維激光點(diǎn)云，經(jīng)里程糾正、正射投影后生成隧道內(nèi)壁正射影像，影像經(jīng)過(guò)人工判讀識(shí)別等處理之后，獲得隧道病害明細(xì)、病害專題影像圖、三維點(diǎn)云以及漫游視頻等檢測(cè)成果。具體應(yīng)用要點(diǎn)分析如下。

3.2 設(shè)計(jì)科學(xué)合理的控制測(cè)量方案

移動(dòng)激光掃描應(yīng)該進(jìn)行分測(cè)站掃描，作業(yè)人員在測(cè)量中，通過(guò)高程、平面測(cè)量方式獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行平差計(jì)算，以得到準(zhǔn)確的控制點(diǎn)坐標(biāo)。因?yàn)楸敬喂こ添?xiàng)目的暗埋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以在具體的測(cè)量中，導(dǎo)線的設(shè)置應(yīng)該合理的選擇，設(shè)計(jì)符合靈活性的要求，確保復(fù)合導(dǎo)線的計(jì)算更加放線。導(dǎo)線至少應(yīng)該設(shè)置16 點(diǎn)，其中5個(gè)是已知點(diǎn)，其他11個(gè)是加密點(diǎn)。高程測(cè)量時(shí)，主要采用的是二等水準(zhǔn)測(cè)量方式，按照規(guī)定的測(cè)量順序開展工作，把各個(gè)水準(zhǔn)線路內(nèi)的控制點(diǎn)進(jìn)行控制，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到精度的要求。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在工程的測(cè)量中，內(nèi)業(yè)檢測(cè)要從下述工作開展：隧道裂縫、斷面尺寸、變形、平整度等。比如對(duì)于斷面數(shù)據(jù)測(cè)量中，這是整個(gè)內(nèi)業(yè)檢測(cè)的關(guān)鍵性內(nèi)容，工作量比較大，其需要通過(guò)影像分辨率、過(guò)濾器、X 軸投影范圍、投影模型等方面進(jìn)行，其中分辨率的數(shù)據(jù)極易受到軟件分辨率以及掃描點(diǎn)分辨率的影響，而投影長(zhǎng)度需要通過(guò)斷面半徑來(lái)確定。

本次隧道項(xiàng)目中，斷面精度為一站15m，測(cè)站前后覆蓋距離為7.5m。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，作業(yè)人員應(yīng)該進(jìn)行過(guò)濾處理，及時(shí)將無(wú)意義的數(shù)據(jù)過(guò)濾掉，且作業(yè)人員能夠分析確定，明確隧道管壁內(nèi)外掃描數(shù)據(jù)的范圍，將選取的方向作為斷面徑向方向，為后續(xù)工作提供良好的支持。

3.4 移動(dòng)激光掃描技術(shù)在隧道檢測(cè)建模中應(yīng)用

移動(dòng)激光掃描儀完成掃描工作之后，要做好曲面重構(gòu)工作。通過(guò)掃描之后就能夠獲取隧道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)自動(dòng)將一些不重要數(shù)據(jù)過(guò)濾掉，并且將噪聲去除掉，然后實(shí)施著色、渲染等操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理，把沒(méi)有處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各個(gè)點(diǎn)內(nèi)保留一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相應(yīng)的距離實(shí)施數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化處理。通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，確定地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，坐標(biāo)零點(diǎn)位置是中心點(diǎn)，掃描儀的坐標(biāo)為相對(duì)坐標(biāo)，應(yīng)該及時(shí)做出轉(zhuǎn)換，讓隧道建模有序開展。

4 三維激光掃描技術(shù)在隧道中的應(yīng)用

固定式三維激光掃描儀要想完成測(cè)量工作，要通過(guò)站點(diǎn)之間的連接而構(gòu)建三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以工程實(shí)際情況出發(fā)，保證隧道項(xiàng)目順利實(shí)施。

4.1 斷面檢測(cè)

通過(guò)三維激光掃描實(shí)施斷面檢測(cè)，速度較快，整個(gè)斷面都可快速完成測(cè)量工作，能夠及時(shí)掌握是否存在隧道超欠挖的問(wèn)題。

4.2 混凝土厚度檢測(cè)

該參數(shù)的檢測(cè)主要應(yīng)用回彈儀檢測(cè)法，但是該方式檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、難度高，只能進(jìn)行零散點(diǎn)的檢測(cè)。應(yīng)用三維激光掃描儀實(shí)施初支、二襯掃描處理，把兩期數(shù)據(jù)疊加使用，獲取準(zhǔn)確的混凝土厚度參數(shù)。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描方式更加方便，數(shù)據(jù)精度也比較高。

4.3 病害檢測(cè)

將預(yù)處理完成之后的點(diǎn)云傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)內(nèi)，然后完成數(shù)據(jù)分析。先提取斷面，自起始里程位置，間隔3m選取一個(gè)斷面。根據(jù)施工的需要，動(dòng)態(tài)化調(diào)整斷面提取間隔和點(diǎn)云厚度，圖形可見圖1 所示。

圖1 斷面截取圖

以上述正射影像圖為基礎(chǔ)，結(jié)合物體的反射率差異，利用軟件自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)聯(lián)合人工操作方式，及時(shí)檢測(cè)管片滲水的情況。

根據(jù)圖2 要求，通過(guò)移動(dòng)掃描系統(tǒng)可以直接掌握點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)人工判讀方式，就能快速確定病害位置和基本信息，為后續(xù)工作開展提供基礎(chǔ)。

圖2 里程K524+814(裂縫)

4.4 變形檢測(cè)

統(tǒng)計(jì)某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)水平收斂數(shù)據(jù)，掌握里程間隔數(shù)據(jù)信息，軟件自動(dòng)化檢測(cè)該區(qū)域的范圍，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。與全站儀對(duì)比分析，因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)死角，所以其獲取的水平收斂數(shù)據(jù)更加精確。

4.5 三維管理系統(tǒng)

軌道交通運(yùn)營(yíng)的環(huán)節(jié)，需要應(yīng)用多個(gè)維護(hù)管理系統(tǒng)，但是當(dāng)前主要以二維平面系統(tǒng)為主。隨著三維激光掃描技術(shù)的全面應(yīng)用，很多維護(hù)管理系統(tǒng)都以三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開發(fā)和應(yīng)用，比如利用固定式掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研發(fā)出車站三維管理系統(tǒng)，保證各項(xiàng)工作順利進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

基于移動(dòng)激光掃描技術(shù)的隧道檢測(cè)技術(shù)主要就是從隧道數(shù)據(jù)采集、隧道數(shù)據(jù)處理以及隧道建模等方面發(fā)揮作用，使得隧道檢測(cè)中能夠得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)隧道的三維建模，方便了相關(guān)施工人員對(duì)隧道施工方案的科學(xué)調(diào)整與優(yōu)化，最大程度上保障了施工的安全性與施工質(zhì)量。