高元勇++崔龍

摘 要：三維激光掃描技術(shù)是一種高精度立體全自動(dòng)的掃描技術(shù)，可以快速、有效、準(zhǔn)確地獲取三維空間信息，全天候?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描并獲取高精度的物體表面點(diǎn)三維信息及反射率信息。隨著該項(xiàng)技術(shù)的成熟發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已在變形監(jiān)測(cè)、建立地面模型等方面得到了廣泛應(yīng)用，本文將對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量誤差分析以及三維激光掃描儀在隧道收斂測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)綜述。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；隧道收斂；誤差分析

中圖分類號(hào)：U456.3；P234.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）03-0118-02隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們漸漸將對(duì)客觀事物的認(rèn)知從平面二維層面轉(zhuǎn)向三維立體方向，測(cè)繪工程中的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪過程中對(duì)物體三維層面的要求，擺脫了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的局限性，是直接獲取所要高精度三維數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)可視化的三維重要手段，極大的降低了測(cè)量的成本，時(shí)間上更節(jié)約，使用更方便，而且范圍應(yīng)用的更廣，在森林和農(nóng)業(yè)、戰(zhàn)場(chǎng)仿真、文物保護(hù)、工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域都有很大的發(fā)展空間。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，大大地拓寬了測(cè)量的領(lǐng)域，提高了測(cè)量的效率，簡(jiǎn)化了測(cè)量的強(qiáng)度，是目前迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用的新技術(shù)之一。

1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描儀含括了多種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，可以在不接觸物體的狀態(tài)下主動(dòng)對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量，在獲取點(diǎn)云形式之后測(cè)量到復(fù)雜的地形及物體的表面，由點(diǎn)集成的三維數(shù)據(jù)，協(xié)同多種測(cè)距法的作用下計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其中經(jīng)常用到的測(cè)距方法有三角測(cè)距法、脈沖測(cè)距法以及相位測(cè)距法。

三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)工作原理大致分為以下三類：

（1）徑向三維激光掃描儀。運(yùn)用脈沖測(cè)距技術(shù)在固定中點(diǎn)順著視線進(jìn)行距離測(cè)量，測(cè)量到的距離可超過100m，每秒可以測(cè)得大于1000個(gè)點(diǎn)。

（2）相位干涉法掃描系統(tǒng)。通過連續(xù)的激光發(fā)射波，利用光學(xué)干涉原理得到干涉相位的測(cè)量方法，此方法適合短距離的測(cè)量，測(cè)量范圍通常不超過50m，每秒鐘可以成功測(cè)的10000至50000個(gè)點(diǎn)。

（3）三角法掃描系統(tǒng)。在獲得兩條光線信息的基礎(chǔ)上，通過立體相機(jī)與機(jī)構(gòu)化的光源，建立出立體的投影關(guān)系。此方法適合短距離的測(cè)量，測(cè)量范圍在2m以內(nèi)，每秒可測(cè)得100個(gè)點(diǎn)。

2 三維激光掃描儀測(cè)量誤差分析及校檢

2.1 三維激光掃描儀測(cè)量誤差分析

三維激光掃描儀避免不了在測(cè)量過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，其中可分為兩類分別為系統(tǒng)誤差與偶然誤差，系統(tǒng)誤差可以通過多種方式來削弱，但是偶然誤差是隨機(jī)發(fā)生的，沒有辦法控制只能進(jìn)行多次的重復(fù)來減少發(fā)生這樣的誤差。

2.2 三維激光掃描儀的校檢

檢測(cè)激光掃描儀測(cè)量距離的精度，經(jīng)常用到的方法包括基線比較法和六段解析法。基線比較法的模型是對(duì)加常數(shù)和乘常數(shù)兩個(gè)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行解算。而六段解析法消除乘常數(shù)相關(guān)影響，加常數(shù)的檢測(cè)精度較高，但只能檢測(cè)加常數(shù)。

校檢的模型包括以下三類：六段解析模型（1971年由H.R.Schwendener首次提出，也叫做六段全組合法，這種方法不需要標(biāo)準(zhǔn)基線，通過全組合方式就能獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)）；基線比較模型；角度校檢模型。

校檢的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分為以下幾個(gè)步驟：實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備以及校檢場(chǎng)的建立。校檢實(shí)驗(yàn)在完成測(cè)距實(shí)驗(yàn)、測(cè)角實(shí)驗(yàn)、溫度環(huán)境實(shí)驗(yàn)等才能對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

測(cè)距精度和測(cè)角精度是地面三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)精度的兩個(gè)主要方面，在運(yùn)用相關(guān)的校檢模型改正觀測(cè)量后，其測(cè)距與測(cè)角精度得到了明顯的提高，不同地方的環(huán)境因素對(duì)激光掃描儀的影響以及目標(biāo)物體對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響還需要我們進(jìn)一步的研究。

3 三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂中應(yīng)用的基本思路

隧道收斂變形中用到的激光掃描技術(shù)其關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)的處理，因此下面對(duì)數(shù)據(jù)處理研究進(jìn)行側(cè)重介紹。其整個(gè)過程按照以下的技術(shù)路線進(jìn)行：

3.1 數(shù)據(jù)的采集

（1）提前準(zhǔn)備好導(dǎo)線與水準(zhǔn)的測(cè)量方案，以激光掃描儀性能、參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境作為參照設(shè)計(jì)出掃描站的間距及掃描點(diǎn)的密度，得到一些掃描重疊的點(diǎn)。

（2）按照測(cè)量方案對(duì)隧道內(nèi)的導(dǎo)線及水準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，將三維坐標(biāo)進(jìn)行傳遞。傳遞方式通過標(biāo)靶進(jìn)行，測(cè)量導(dǎo)線及水準(zhǔn)與觀測(cè)標(biāo)靶同時(shí)進(jìn)行。

（3）對(duì)隧道進(jìn)行三維激光掃描，同時(shí)取得隧道內(nèi)壁的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

（1）對(duì)靶標(biāo)的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算：結(jié)合導(dǎo)線及水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，得到靶標(biāo)的三維坐標(biāo)。

（2）對(duì)點(diǎn)云產(chǎn)生的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸算：建立統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系，將各個(gè)標(biāo)靶的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到一起。

（3）將數(shù)據(jù)中的噪音除去：根據(jù)隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，除去隧道中的噪音數(shù)據(jù)。

（4）將比較重要的管壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來：關(guān)閉的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度并不均勻，可能是因?yàn)閽呙璧慕嵌群蛼呙璧木嚯x造成的，我們?cè)谶M(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理之前，需要去掉那些點(diǎn)云密度大的范圍中一些可能多余的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后在根據(jù)一定的密度將某些點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來，這樣可以大大提高進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理的速度。

3.3 三維模型的建立

以預(yù)處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考生成地鐵隧道內(nèi)壁的三維模型。

3.4 成果的輸出

（1）根據(jù)地鐵隧道收斂變形測(cè)量要求，對(duì)指定管片（或每個(gè)管片、或一定間隔的管片）截取三維模型斷面，對(duì)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行高次樣條（多項(xiàng)式）曲線擬合，將其與設(shè)計(jì)的斷面理論值進(jìn)行比較，計(jì)算出管片一周的變化量曲線，將其中的特征點(diǎn)進(jìn)行輸出，例如形變最小的的上、下、左、右或者是等角度處（如每隔10°）變形量的差值。（2）將包括每管片一周的收斂變形報(bào)告輸出。

3.5 成果的管理

三維激光掃描的成果管理最主要的形式之一就是建立數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣不僅能對(duì)較大量的斷面數(shù)據(jù)、多次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行有效的管理，還能夠大大地提高成果管理的效率。將每個(gè)管片測(cè)量成果進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理，并達(dá)到成果的瀏覽與分析效果。其主要的目的有以下幾點(diǎn)：

（1）該數(shù)據(jù)庫(kù)可以用于瀏覽每個(gè)管片斷面的變化量曲線及變形量差值。

（2）該數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)量成果可以通過地鐵隧道中軸線方向的變形影響整個(gè)趨勢(shì)，因此用來找到其他變形量大的區(qū)段。

（3）該數(shù)據(jù)庫(kù)可以建立歷史數(shù)據(jù)，幫助解決今后同一區(qū)段的變形趨勢(shì)的問題。

（4）可以根據(jù)變形的限值，建立分析預(yù)警的模型。

4 三維激光掃描技術(shù)在隧道收斂測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

4.1 傳統(tǒng)收斂測(cè)量方法的難點(diǎn)

隧道在發(fā)生形變之后，我們很難判斷其是相對(duì)形變還是絕對(duì)形變，所謂絕對(duì)形變是隧道環(huán)片相對(duì)于設(shè)計(jì)或者施工時(shí)各環(huán)片的絕對(duì)變化位移，這種情況是很難測(cè)定的；二相對(duì)形變是隧道的鋼體結(jié)構(gòu)相對(duì)于設(shè)計(jì)或者施工初期的相對(duì)變化位移，我們所介紹的隧道收斂變形測(cè)量指的就是測(cè)定隧道的相對(duì)形變量，來進(jìn)一步判斷隧道形變的程度。

隧道收斂測(cè)量中經(jīng)常用到布設(shè)傳感器和使用全站儀測(cè)量收斂的方法，傳感器測(cè)量隧道收斂方法雖然精度較高，但是常常受到環(huán)境的影響，尤其是在環(huán)境光源比較暗的情況下，所測(cè)量的到的結(jié)果精度不夠，而且自動(dòng)化程度不高。傳統(tǒng)收斂測(cè)量的方法利用布設(shè)導(dǎo)線進(jìn)行坐標(biāo)的傳遞，通常在一圈管片上均勻設(shè)置若干個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在通過全站儀對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)后獲得的數(shù)據(jù)總結(jié)起來進(jìn)行隧道的變形分析，傳統(tǒng)方法有許多難點(diǎn)進(jìn)行克服，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）傳統(tǒng)方法在布點(diǎn)以及測(cè)量上無法保證各點(diǎn)嚴(yán)格地在同一條直線、共面，所以無法確定所測(cè)上下行線監(jiān)測(cè)環(huán)在同一三維激光掃描儀在隧道收斂測(cè)量中的應(yīng)用

高元勇1，2 崔龍1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆疆海測(cè)繪院，新疆烏魯木齊 830002）

摘 要：三維激光掃描技術(shù)是一種高精度立體全自動(dòng)的掃描技術(shù)，可以快速、有效、準(zhǔn)確地獲取三維空間信息，全天候?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描并獲取高精度的物體表面點(diǎn)三維信息及反射率信息。隨著該項(xiàng)技術(shù)的成熟發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已在變形監(jiān)測(cè)、建立地面模型等方面得到了廣泛應(yīng)用，本文將對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量誤差分析以及三維激光掃描儀在隧道收斂測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)綜述。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；隧道收斂；誤差分析

中圖分類號(hào)：U456.3；P234.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）03-0118-02橫斷面上。

（2）傳統(tǒng)方法效率較低、成本較高，并且不能保證每個(gè)管片都能觀測(cè)的到。

（3）傳統(tǒng)的收斂測(cè)量不能全方位的反映出隧道形變。

（4）傳統(tǒng)的方法對(duì)成果的分析較難，測(cè)量過程中涉及到的不可控環(huán)節(jié)較多，所測(cè)得的結(jié)果精度大幅降低。傳統(tǒng)方法不能進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)采集，更不能夠第一時(shí)間獲得成果上的指導(dǎo)。因此我們一定要采取發(fā)現(xiàn)新的測(cè)量技術(shù)。

4.2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)之所以被稱為“實(shí)景拷貝技術(shù)”，是因?yàn)樗色@取任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間目標(biāo)的三維立體信息，還能夠快速重構(gòu)目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種帶有三維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，從而再現(xiàn)客觀事物真實(shí)的形態(tài)特性。

（1）在現(xiàn)代工程建筑領(lǐng)域，快速準(zhǔn)確獲取建筑三維數(shù)據(jù)，不但極大程度上豐富了三維數(shù)據(jù)展示的效果，由于其每個(gè)點(diǎn)都有三維坐標(biāo)，可提供可量測(cè)的畫面數(shù)據(jù)，為建筑工程的檢測(cè)與分析提供新的手段；

（2）其非接觸的數(shù)據(jù)獲取方式可以有效地減少傳統(tǒng)操作中不必要的破壞和損傷，為檢測(cè)保護(hù)與維護(hù)施工提供準(zhǔn)確、科學(xué)的數(shù)據(jù)，發(fā)揮高新技術(shù)的積極作用；該技術(shù)可以支撐一個(gè)快速、高效、節(jié)約成本的解決方案。

（3）三維掃描技術(shù)采集隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速分割生成切片，針對(duì)切片中的散亂點(diǎn)提出了一種多點(diǎn)坐標(biāo)平差計(jì)算圓心方法擬合切片圓心，對(duì)擬合的圓環(huán)與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，分析變化情況。本文系統(tǒng)地提出了基于三維激光掃描的隧道點(diǎn)云的收斂變形分析方法，對(duì)三維掃描技術(shù)在隧道中的應(yīng)用有一定的意義。

4.3 掃描的數(shù)據(jù)用于斷面測(cè)量還將會(huì)在以下兩個(gè)方面得到更好的發(fā)展和應(yīng)用

（1）3D建模。根據(jù)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成地鐵隧道內(nèi)壁（包括隧道內(nèi)目前已有的附屬設(shè)施）三維模型，為今后的隧道維護(hù)恢復(fù)提供相對(duì)原始的數(shù)據(jù)資料。

（2）軸線變化和趨勢(shì)預(yù)測(cè)。將軸線與設(shè)計(jì)值的三維關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，在測(cè)量標(biāo)志球位置真實(shí)的三維坐標(biāo)后，擬合得到的隧道軸線就相當(dāng)于真實(shí)的軸線，進(jìn)而可以對(duì)隧道軸線整體變化的情況趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論與展望

三維激光掃描技術(shù)是一種高效、便捷、節(jié)約成本的技術(shù)，高于常規(guī)測(cè)量的收斂精度，能夠?yàn)樗淼朗諗繙y(cè)量提供準(zhǔn)確、科學(xué)的依據(jù)。本文在介紹三維激光掃描儀原理、誤差產(chǎn)生及儀器校檢的基礎(chǔ)上，對(duì)三維激光掃描儀在隧道收斂測(cè)量中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)在隧道的收斂方面，在保證掃描距離及點(diǎn)云密度的條件下，數(shù)據(jù)結(jié)果一般就能滿足隧道收斂的要求，而且該技術(shù)可以快速、完整的采集隧道內(nèi)部的表面數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)采集的速度及數(shù)據(jù)處理的效率，尤其是在隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間間斷不能過長(zhǎng)的情況下，采用三維激光掃描技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)作業(yè)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]畢俊，馮瑣，顧星曄，等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2008（33）：4-6.

[2]耿直.3D激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面收斂測(cè)量中的應(yīng)用[J].上海國(guó)土資源，2014，35（4）：102-104.

[3]劉燕萍，程效軍，賈東峰.基于三維激光掃描的隧道收斂分析[J].工程勘察，2013（3）：74-77.

[4]徐源強(qiáng)，高井祥，王堅(jiān).三維激光掃描技術(shù)[J].測(cè)繪信息與工程，2010，35（4）：5-6.

[5]劉紹堂，潘國(guó)榮.基于激光掃描的隧道變形監(jiān)測(cè)的誤差來源及變形分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2013（5）：69-74.

[6]黃茂華，謝義林.隧道收斂測(cè)量方法研究[J].北京測(cè)繪，2009，4（4）：14-16.

[7]王如路，劉建航.上海地鐵監(jiān)護(hù)實(shí)施[J].地下工程與隧道，2004（1）：27-32，35，57.

[8]張?jiān)牵鷱V洋，劉玉彤，王慶洲.基于工程應(yīng)用的3維繼光掃描系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào)，2002（1）.

[9]鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測(cè)量誤差影響因素分析[J].測(cè)繪工程，2005（2）.

[10]程光亮，張福利，王寶.3維激光掃描技術(shù)在工程應(yīng)用中的精度探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2007，30（4）：25-32.