三維激光掃描技術(shù)在隧道斷面測(cè)量中的應(yīng)用摘要：地下鐵道工程特別是地鐵隧道工程因隧道凈空一般自身較小，施工地質(zhì)環(huán)境與工藝復(fù)雜，特別是采用盾構(gòu)法施工時(shí)，管片間錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)縫變化相對(duì)量較大隧道后期徐變時(shí)間長(zhǎng)且不可控與逆轉(zhuǎn)，故在貫通后與運(yùn)營(yíng)期須進(jìn)行比公路與鐵路隧道更高密度的斷面與特征點(diǎn)測(cè)量檢查，以期保證行車與建筑限界不相互沖突。隨著科技發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模的日漸龐大，三維激光掃描技術(shù)逐漸進(jìn)入地鐵隧道檢測(cè)中。關(guān)鍵詞：三維激光掃描；隧道斷面測(cè)量各類型隧道工程項(xiàng)目竣工前都必須對(duì)項(xiàng)目所建隧道工程進(jìn)行檢查，其中最基本的一條即對(duì)隧道斷面進(jìn)行檢測(cè)（部分頂管法施工除外），以檢核其凈空尺寸是否滿足設(shè)計(jì)和使用功能要求。地下鐵道工程特別是地鐵隧道工程因隧道凈空一般自身較小，施工地質(zhì)環(huán)境與工藝復(fù)雜，特別是采用盾構(gòu)法施工時(shí)，管片間錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)縫變化相對(duì)量較大，隧道后期徐變時(shí)間長(zhǎng)且不可控與逆轉(zhuǎn)，故在貫通后與運(yùn)營(yíng)期須進(jìn)行比公路與鐵路隧道更高密度的斷面與特征點(diǎn)測(cè)量檢查，以期保證行車與建筑限界不相互沖突。隨著科技發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模的日漸龐大，三維激光掃描技術(shù)逐漸進(jìn)入地鐵隧道檢測(cè)中。本文僅描述三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道貫通后在隧道斷面測(cè)量中的這一功能應(yīng)用，其他不作發(fā)散。工程作業(yè)環(huán)境介紹：我司監(jiān)理的某地鐵工程某盾構(gòu)區(qū)間貫通已有一年多，經(jīng)壁后多次注漿加固和堵漏、隧道徐變自穩(wěn)、隧道管片清洗后，擬準(zhǔn)備驗(yàn)收移交，在此之前需再次對(duì)隧道凈空斷面進(jìn)行測(cè)量檢查。車站內(nèi)后續(xù)為移交做準(zhǔn)備而布設(shè)的控制點(diǎn)已經(jīng)多方測(cè)量，經(jīng)檢查隧道兩端車站穩(wěn)定，隧道貫通后洞內(nèi)改建的控制點(diǎn)穩(wěn)定，施工單位已用全站儀采集了設(shè)計(jì)單位要求測(cè)量的斷面特征部位數(shù)據(jù)，第三方測(cè)量單位采用美國(guó)FAROFocus3D三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量檢查復(fù)核。一、三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介三維激光掃描技術(shù)是激光掃描儀通過發(fā)射高頻激光脈沖，測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物體表面返回儀器所需的時(shí)間差來計(jì)算距離S,以儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向角度值a及縱向角度觀測(cè)值B,獲得激光采樣點(diǎn)的坐標(biāo)：圖1掃描點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算原理圖與傳統(tǒng)的斷面檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行比較分析，三維激光掃描檢測(cè)本身優(yōu)勢(shì)相對(duì)較為明顯。一是無接觸的完成數(shù)據(jù)的測(cè)量工作，高速的完成物體表面三維信息數(shù)據(jù)的收集和整理，也便于對(duì)于一些自然環(huán)境相對(duì)較為復(fù)雜，人工難以測(cè)量的位置進(jìn)行測(cè)繪。二是測(cè)量的實(shí)際效率相對(duì)較高，激光點(diǎn)云采樣的密度高，測(cè)點(diǎn)本身的數(shù)據(jù)信息相對(duì)較為豐富，本身具備傳統(tǒng)測(cè)量手段沒有辦法完成的高精度數(shù)字化數(shù)據(jù)收集工作。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)作的實(shí)際速度較快，能夠一次性的實(shí)現(xiàn)高精度的收集百萬/秒以上的點(diǎn)位信息。三是工作中勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低，能夠有效地降低數(shù)據(jù)收集、分析等過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)化收集處理，避免了傳統(tǒng)日常測(cè)量結(jié)果往往會(huì)因人為因素的影響而導(dǎo)致最終結(jié)果的真實(shí)性偏差。二、隧道斷面掃描測(cè)量輔助性工作在普通常規(guī)隧道斷面測(cè)量使用全站儀工作時(shí)，一般采用現(xiàn)場(chǎng)后方交會(huì)自由設(shè)站方法安置儀器，斷面測(cè)量點(diǎn)位需現(xiàn)場(chǎng)不停測(cè)量檢查計(jì)算后方可確定測(cè)量位置，為防止錯(cuò)漏，現(xiàn)場(chǎng)一般會(huì)以紅漆標(biāo)記。激光掃描儀在作業(yè)時(shí)有其特殊要求，為提

高掃描影像處理時(shí)生成的隧道灰度影像圖片在設(shè)計(jì)線路中的位置，現(xiàn)場(chǎng)須用全站儀測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)影像資料中的控制點(diǎn)，大約30米一對(duì)黑白標(biāo)靶并粘貼布置在左右不同環(huán)號(hào)管片上，并簡(jiǎn)要標(biāo)記序號(hào)，可直接利用隧道內(nèi)的控制點(diǎn)采樣極坐標(biāo)法測(cè)量獲取；并在實(shí)施掃描時(shí)在測(cè)站首尾布設(shè)球形標(biāo)靶（本次球形靶以下部吸盤固定）。安置黑白靶與球形靶主要是為了方便數(shù)據(jù)影像拼接，同時(shí)黑白靶另一重要功能便是在圖像拼接時(shí)糾偏擬合偏差，確定數(shù)據(jù)影像擬合的隧道在設(shè)計(jì)隧道線路中心線的相對(duì)位置。圖2黑白平面標(biāo)靶與球形立體標(biāo)靶三、隧道斷面數(shù)據(jù)獲取外業(yè)數(shù)據(jù)獲取標(biāo)靶布設(shè)完成后，即可開始利用掃描儀進(jìn)行三維掃描測(cè)量，測(cè)量時(shí)人工輔助搬站。該過程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，即安置穩(wěn)定好架腿后連接儀器，簡(jiǎn)單初平，設(shè)置好儀器掃描采樣參數(shù)后即可在任意方向開始掃描作業(yè)。在數(shù)據(jù)采樣完成后儀器自動(dòng)停止作業(yè)，人工簡(jiǎn)單檢查后即可搬站在下一作業(yè)區(qū)段內(nèi)重復(fù)采樣作業(yè)。掃描儀采樣可與黑白靶坐標(biāo)測(cè)量錯(cuò)開數(shù)個(gè)區(qū)段即可，可以同時(shí)測(cè)量作業(yè)，本區(qū)間長(zhǎng)約800米，左右雙線隧洞斷面測(cè)量外業(yè)共耗時(shí)約5小時(shí)，共出動(dòng)測(cè)量人員5人，全站儀一臺(tái)、FARO激光掃描儀一臺(tái)，相關(guān)輔助工具若干。

圖3掃描儀現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖三維激光掃描過程中遵循相鄰測(cè)站使用不低于3個(gè)公共靶球連接的形式，用全站儀獲取黑白平面標(biāo)靶中心的坐標(biāo)用于后續(xù)內(nèi)業(yè)進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本次掃描按每站小于50m實(shí)施，掃描儀安置在黑白平面標(biāo)靶大概中間位置（黑白靶黏貼時(shí)分布在隧道管壁左右兩側(cè)），掃描時(shí)球形靶保持靜止。掃描儀一測(cè)站耗時(shí)約三至五分鐘。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與斷面信息獲取外業(yè)完成后，及時(shí)把掃描測(cè)量信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中（電腦CPU計(jì)算性能配置宜相對(duì)較高），利用儀器配套的附屬軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)后生成單站掃描信息影像。在逐一拼接后形成完整的整條隧道影像，拼接時(shí)利用黑白靶獲取的三位坐標(biāo)對(duì)影像進(jìn)行拼接糾偏，并利用坐標(biāo)信息確定拼接后的隧道線性位置。相關(guān)數(shù)據(jù)影像與相鄰兩幅影像拼接示意如下圖：

圖4相鄰兩幅灰度影像標(biāo)靶與拼接點(diǎn)轉(zhuǎn)刺第三方測(cè)量單位利用MATLAB軟件二次開發(fā)編輯了相關(guān)數(shù)據(jù)包。輸入?yún)^(qū)間隧道平縱參數(shù)，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后即可調(diào)用前面拼接生成的線性隧道數(shù)據(jù)，生成需要的斷面特征點(diǎn)相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)中心的偏差數(shù)據(jù)信息。A冒鈾斫&■Hfl!*由駅電1*T*Q?茁固?*?fSK0tf"-B三(W曲皿沽

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FlSdRw誼取點(diǎn)云數(shù)據(jù)讀取定也信息計(jì)徐暫停退出問□輸IH5J'■“sd甌an*1 ’比idg19三世"?丸二苗■出千灼凹51歸鬥*]￡1*1也唱*-|戲也？"闿曰Si也曰日t]鬥血陽胡芯■阿竹電1M劉舶|―toifeHSIMtM13873^.-5.-73.-13S-也n山啊叭〕211亡何護(hù)Jrti) 12U”￥Ml￡『tWrt) H稈電』規(guī)1呵 1I軌垃閔利址J 嗚|~i疤|曰如口吐濾堆餐列S:Niiinr0^111叩「環(huán)1加mm)31切片牛直冏水和他 aRAWffiinj□憐仆□XYZi^ia' c：SIH'dd' nAEWiini圖5點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取與隧道切片參數(shù)設(shè)置生成的斷面點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)再利用盾構(gòu)隧道施工測(cè)量計(jì)算軟件計(jì)算得到斷面點(diǎn)與設(shè)計(jì)隧道內(nèi)輪廓線的相互位置關(guān)系，并可生成示意圖。如下圖所示：

圖7EXECL軟件生成的隧道斷面信息示意圖數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比經(jīng)檢查對(duì)比，施工單位利用全站儀測(cè)量的斷面點(diǎn)計(jì)算的凈空偏差情況與第三方單位利用激光掃描儀測(cè)量所得數(shù)據(jù)信息吻合度高；全站儀與掃描儀成果互差基本落在1公分以內(nèi)，極個(gè)別接近2公分，滿足隧道斷面測(cè)量精度要求；各方認(rèn)可斷面測(cè)量信息數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性，斷面數(shù)據(jù)信息均有效。四、作業(yè)評(píng)價(jià)本次斷面測(cè)量工效情況如下表：?jiǎn)挝粶y(cè)量單位測(cè)量人員/人主要儀器施工單位4全站儀TS60第三方測(cè)量5全站儀TS30激光掃描儀外業(yè)時(shí)間/天內(nèi)業(yè)時(shí)間/天報(bào)告編輯5330.511從統(tǒng)計(jì)情況可以看出，利用激光掃描儀可以大大減輕測(cè)量人員外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度內(nèi)業(yè)處理也相對(duì)時(shí)間較短，數(shù)據(jù)信息匯總更為方便。三維激光掃描技術(shù)不失為隧道斷面測(cè)量的利器。結(jié)束語：三維激光掃描不僅可以對(duì)隧道空間信息進(jìn)行測(cè)量，還可利用于隧道病害與形變監(jiān)測(cè)分析等，常規(guī)如隧道滲漏、破損、隧道橢變、道床形變、凈空收斂等。因三維掃描涵蓋信息量大，用戶可根據(jù)自己需要，內(nèi)業(yè)分析處理得到針對(duì)不同要求需要的模塊結(jié)果，一次測(cè)量多次利用而不需從新測(cè)量，減少了大量現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)修測(cè)重測(cè)、二次采集等工作。三維掃描技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但也不可忽視其利用存在限制。特別是以下幾點(diǎn)難以短期解決：設(shè)備價(jià)格高昂，以文中FARO為例，裸機(jī)價(jià)格在60萬以上；相對(duì)于某一施工單位項(xiàng)目部來說，不如全站儀便宜，且掃描儀出場(chǎng)較少，日常利用率較低；設(shè)備使用上特別是內(nèi)業(yè)過程中，掃描儀數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，普通測(cè)量人員難以掌握工作流程，且配套軟件不常見且貴，作業(yè)者不長(zhǎng)期做內(nèi)業(yè)工作難以熟練，必須培養(yǎng)專業(yè)人員專機(jī)專用；數(shù)據(jù)成果準(zhǔn)確性或精度方面，業(yè)內(nèi)尚無規(guī)范文件或高層次學(xué)者予以充分明確肯定，行業(yè)也無作業(yè)流程指導(dǎo)性指南或文件，業(yè)內(nèi)人士接觸與實(shí)踐利用的又較少。業(yè)內(nèi)亦出現(xiàn)數(shù)據(jù)處