張鐵軍，沈家海，申文永

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

三維激光掃描技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是繼GPS定位技術(shù)后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)革新[1]。某工程招標(biāo)文件中要求采用此技術(shù)進(jìn)行樁基測(cè)量，本次有針對(duì)性地對(duì)其精度進(jìn)行測(cè)試分析，探索其在工程測(cè)量中的應(yīng)用。

1 三維激光掃描儀介紹

三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式，采用極坐標(biāo)法采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息和激光反射強(qiáng)度。三維激光掃描儀連續(xù)掃描，組成了大量掃描離散點(diǎn)集合的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；主要由1臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上1組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡組成。

1.1 測(cè)距原理

激光測(cè)距作為激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作用。

目前，測(cè)距方法主要有：三角法、脈沖法、相位法。脈沖測(cè)量的距離最長(zhǎng)，但精度隨距離的增加而降低；相位法適合中程測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度；三角測(cè)量測(cè)程最短，但其精度最高，適合近距離、室內(nèi)的測(cè)量。

1.2 測(cè)角原理

1）角位移測(cè)量：通過改變激光光路獲得掃描角度。把兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和掃描棱鏡安裝在一起，分別實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向掃描。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的控制微電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描儀的精確定位。

2）線位移測(cè)量：激光發(fā)射器將激光束入射到直角棱鏡上，激光束經(jīng)棱鏡折射后射向被測(cè)的目標(biāo)，當(dāng)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出射的激光束形成線性的掃描區(qū)域，通過CCD元件記錄線位移量，獲得掃描角度值。

1.3 掃描原理

儀器通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，決定激光束出射方向，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。

1.4 儀器定向

將掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的過程，稱為三維激光掃描儀的定向。

2 精度測(cè)試

按照招標(biāo)文件要求，在陸地選擇類似場(chǎng)地和目標(biāo)，建立測(cè)量基準(zhǔn)，以全站儀和水準(zhǔn)儀常規(guī)測(cè)量值為基準(zhǔn)，比對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量值，以檢驗(yàn)其精度[2]。

2.1 場(chǎng)地布置

在珠海某高架橋下選擇4排圓形墩柱作為測(cè)量目標(biāo)，每排2根墩柱，編號(hào)分別為：0#1、0#2、1#1、1#2、2#1、2#2、3#1、3#2，實(shí)測(cè)墩柱直徑為1.2 m。在保證三維激光掃描儀所測(cè)的最遠(yuǎn)墩柱大于招標(biāo)圖紙中110 m作業(yè)距離的前提下，共布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)，分別為K1、K2、K3、K4、K5，其中K1、K2為三維激光掃描儀架站點(diǎn)，K3、K4為標(biāo)靶架設(shè)點(diǎn)，K5為全站儀架站點(diǎn)，墩柱編號(hào)與控制點(diǎn)平面布置見圖1。

2.2 基準(zhǔn)的建立

建立獨(dú)立平面坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)，用Leica TS30全站儀測(cè)量5個(gè)控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)，用Leica NA2水準(zhǔn)儀測(cè)量高程[3]。

控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程如表1所示。

圖1 墩柱編號(hào)與控制點(diǎn)平面布置示意圖Fig.1 Theplanelayout of piers′numbersand control points

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程Table 1 Coordinate and elevation of control points m

2.3 測(cè)試方法

在墩柱測(cè)出11 m和14 m兩個(gè)標(biāo)高。使用全站儀測(cè)量墩柱左、右切方位角，并將其水平角轉(zhuǎn)至左、右切方位角的平均值處，用免棱鏡模式測(cè)量平距，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)后，計(jì)算墩柱圓心坐標(biāo)。選擇具有代表性的0號(hào)和3號(hào)數(shù)據(jù)，整理后見表2所示。

表2 墩柱圓心坐標(biāo)值Table 2 Center coordinatesof piers m

三維激光掃描儀架設(shè)在K1點(diǎn)上，標(biāo)靶架設(shè)在K3點(diǎn)上，首先掃描K3點(diǎn)上的標(biāo)靶，然后掃描墩柱。

然后再將三維激光掃描儀架設(shè)到K2點(diǎn)上，標(biāo)靶架設(shè)在K4點(diǎn)上，首先掃描K4點(diǎn)上的標(biāo)靶，然后掃描墩柱。

最后經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理，得到11 m和14 m標(biāo)高處單站測(cè)量擬合圓心坐標(biāo)和兩站測(cè)量拼接擬合圓心坐標(biāo)。

2.4 精度分析

2.4.1 墩柱圓心坐標(biāo)比較

三維激光掃描儀單站測(cè)量、兩站測(cè)量拼接擬合墩柱圓心坐標(biāo)與Leica TS30全站儀測(cè)量值的差值，見表3所示。

表3 圓心數(shù)據(jù)比較表Table 3 Data comparison of circle center mm

從表3可以看出，單站測(cè)量擬合圓心的點(diǎn)位偏差最大為21.8 mm，最小為11.2 mm；兩站拼接測(cè)量擬合圓心的點(diǎn)位偏差最大為13.8 mm，最小為4.1 mm。

2.4.2 精度分析

以全站儀測(cè)量為基準(zhǔn)，按照中誤差公式[4]計(jì)算單站測(cè)量精度mK1、mK2和雙站測(cè)量精度m2。

式中：Δ為觀測(cè)值真誤差，n為觀測(cè)值個(gè)數(shù)。

3 結(jié)語

本次針對(duì)性測(cè)試是在三維激光掃描儀廠家專業(yè)技術(shù)人員的配合下完成，得到了儀器在樁基測(cè)量時(shí)的精度值，驗(yàn)證了該測(cè)量方法能滿足招標(biāo)文件要求，對(duì)該種類儀器在樁基偏位檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了有益探索。下一步可以繼續(xù)從影響三維激光掃描儀精度的因素和提高精度的措施等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究和測(cè)試，擴(kuò)展其在工程測(cè)量其他方面的應(yīng)用。