曹思語(yǔ)，曹成度，李海亮

(1. 武漢市第十四中學(xué)，湖北 武漢 430060； 2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

在新建鐵路的設(shè)計(jì)工作中，為了優(yōu)化線路方案、設(shè)計(jì)重點(diǎn)橋梁的橋型橋式、選擇隧道進(jìn)出口、排查不良地質(zhì)等工作，需要對(duì)重要工點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)勘察。當(dāng)前，工點(diǎn)勘察主要采用常規(guī)GPS、全站儀等手段人工實(shí)地測(cè)繪完成。由于鐵路重要工點(diǎn)多地處險(xiǎn)、難環(huán)境下，采用常規(guī)方法存在工作效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題[1]。

地面三維激光掃描技術(shù)作為一種三維空間信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取技術(shù)，近年來(lái)得到了迅猛發(fā)展，該技術(shù)可以在外業(yè)以主動(dòng)、高效、非接觸的方式獲取被測(cè)目標(biāo)的高精度、高密度三維點(diǎn)云[2-4]，后期在內(nèi)業(yè)對(duì)三維點(diǎn)云進(jìn)行處理、分析和數(shù)據(jù)挖掘，生產(chǎn)所需的數(shù)據(jù)成果[5-6]。該技術(shù)將大部分繁重的外業(yè)工作轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)完成，特別適合工點(diǎn)勘察。

本文以天寶SX10地面三維激光掃描儀為例，對(duì)地面三維激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路工點(diǎn)勘察中的應(yīng)用進(jìn)行研究，提出作業(yè)方案和流程，從而提高工點(diǎn)勘察的作業(yè)效率、成果質(zhì)量和安全系數(shù)。

1 天寶SX10地面激光掃描儀

SX10地面三維激光掃描儀是天寶公司于2016年下半年推出的新一代激光掃描儀，如圖1所示。Trimble SX10激光掃描儀將測(cè)量、影像和高速掃描集成為一體，為工程、測(cè)繪等專業(yè)技術(shù)人員提供了創(chuàng)新的解決方案。該掃描儀具有以下特點(diǎn)：

(1) 集測(cè)量、影像和高速三維掃描于一體的革命性解決方案，不僅是一臺(tái)地面激光掃描儀，同時(shí)也可以作為全站儀和影像全站儀使用。

(2) 掃描速度高達(dá)每秒26 600個(gè)點(diǎn)，測(cè)程可達(dá)600 m，點(diǎn)尺寸100 m處僅14 mm。

(3) 可采用全站儀建站方式完成設(shè)站，建站精度高、效率高，無(wú)需反射靶標(biāo)。

(4) 改進(jìn)的Trimble VISION技術(shù)允許快速和方便地獲取高分辨率工地影像。

(5) 后期數(shù)據(jù)處理TBC軟件功能強(qiáng)大，可快速、高效地完成數(shù)據(jù)處理和成果生產(chǎn)。

圖1 天寶SX10地面激光掃描儀

2 作業(yè)方案

2.1 地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

2.1.1 采集方案設(shè)計(jì)

為了項(xiàng)目能夠順利實(shí)施，應(yīng)在采集前進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，收集現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)等既有資料，了解掃描對(duì)象的范圍、空間分布、精度和分辨率要求等[7]。

完整的技術(shù)設(shè)計(jì)方案包括項(xiàng)目概況、技術(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)、測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)方案、掃描儀選擇與參數(shù)設(shè)置、掃描數(shù)據(jù)拼接方案、數(shù)據(jù)處理方案、提交的成果、項(xiàng)目的工作進(jìn)度計(jì)劃、人員分組、后勤保障等[8]。

2.2.2 控制網(wǎng)布設(shè)

控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮項(xiàng)目精度需求[9]。天寶SX10地面激光掃描儀的設(shè)站方式比較獨(dú)特，可采用全站儀建站方式完成設(shè)站，建站精度高、效率高。在進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)，應(yīng)充分考慮掃描儀設(shè)站位置，可根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況靈活選擇定向方法。本文推薦采用自由設(shè)站法，即保證任一架站點(diǎn)能夠通視兩個(gè)已知點(diǎn)，通過(guò)空間后方交會(huì)設(shè)站。控制網(wǎng)施測(cè)方法可根據(jù)項(xiàng)目精度需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.3 工點(diǎn)掃描

工點(diǎn)掃描的目的是獲取完整、符合精度要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。掃描開始前要做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，主要包括儀器、人員組織、交通、后勤保障、測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)等。

天寶SX10地面激光掃描儀單站掃描的基本步驟如下：

(1) 儀器安置。在選擇好的架站位置，架設(shè)儀器，連接好相關(guān)配件，對(duì)中(在需要的條件下)、整平。

(2) 設(shè)站。通過(guò)觀測(cè)已知點(diǎn)，建立測(cè)站，推薦采用自由設(shè)站法。

(3) 掃描。通過(guò)平板電腦操作掃描儀，設(shè)置掃描參數(shù)，主要包括工程文件名、文件存儲(chǔ)位置、掃描范圍、分辨率等，確保參數(shù)設(shè)置無(wú)誤后即可開始掃描。

(4) 掃描檢查與換站。掃描完成后，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云和影像質(zhì)量進(jìn)行檢查，確保獲取了合格的數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)無(wú)誤后可換站繼續(xù)掃描。

2.1.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入TBC(Trimble business center)中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、融合和賦色。同時(shí)，利用TBC軟件的地形濾波功能濾除植被、建筑物等非地面點(diǎn)，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為L(zhǎng)AS文件，用于后續(xù)應(yīng)用。

2.2 地形圖測(cè)繪

(1) 地物采集。在TBC軟件中導(dǎo)入激光點(diǎn)云，通過(guò)三維瀏覽判斷地物邊界，并使用矢量勾繪功能繪制地物，繪制完成后將地物矢量導(dǎo)出為CAD格式文件，最后在CASS軟件中完成地物符號(hào)化。

(2) 等高線、高程點(diǎn)及陡坎提取。在TBC軟件中導(dǎo)入激光點(diǎn)云，并對(duì)點(diǎn)云根據(jù)地形特征進(jìn)行抽稀后導(dǎo)入CASS中，基于CASS軟件自動(dòng)內(nèi)插等高線，采集高程點(diǎn)，繪制陡坎。

(3) 地物編輯。將地物、等高線、高程點(diǎn)和陡坎等融合在CASS中進(jìn)行編繪，輸出地形圖。

2.3 不良地質(zhì)解譯

在TBC軟件中通過(guò)三維瀏覽，并切換顯示方式，判識(shí)危巖落石、裂隙等不良地質(zhì)信息，并基于TBC矢量勾繪功能標(biāo)繪不良地質(zhì)信息。不良地質(zhì)解譯完成后，將解譯成果導(dǎo)出為CAD格式文件，疊加到地形圖上。

2.4 斷面測(cè)量

將濾波后的激光點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)，通過(guò)斷面平面線與三角網(wǎng)求交，從而切取橫、縱斷面，并在橫斷面上標(biāo)繪地物和不良地質(zhì)信息。

3 工程應(yīng)用

衢寧鐵路是典型的山區(qū)鐵路，橋隧眾多，隧道口及橋臺(tái)處常常存在眾多危巖落石，給鐵路的施工和后期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了很大的隱患。

為了驗(yàn)證本文方法，選取衢寧鐵路某隧道口進(jìn)行工點(diǎn)勘察試驗(yàn)。

試驗(yàn)中基于鐵路基礎(chǔ)控制網(wǎng)在隧道口利用導(dǎo)線測(cè)量建立了激光掃描控制網(wǎng)，掃描控制網(wǎng)精度優(yōu)于2 cm?；趻呙杩刂凭W(wǎng)，采用天寶SX10地面三維激光掃描儀獲取了平均點(diǎn)間距優(yōu)于10 cm的點(diǎn)云。

掃描完成后，利用全站儀實(shí)地采集10個(gè)地物特征點(diǎn)和30個(gè)高程點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，基于該檢查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)激光點(diǎn)云的平面和高程精度見(jiàn)表1。

表1 激光點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì) m

基于掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作了1∶500地形圖，并解譯了不良地質(zhì)信息，如圖2所示。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，截取了20個(gè)橫斷面，為該隧道口的精細(xì)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖2 工點(diǎn)三維點(diǎn)云模型及不良地質(zhì)信息解譯

通過(guò)該工點(diǎn)的應(yīng)用，采用常規(guī)方法勘察約需要15 d，而采用本文方法外業(yè)采集需45 min，內(nèi)業(yè)解譯需30 min，工作效率顯著提高，同時(shí)工點(diǎn)勘察質(zhì)量也得到了有效保障。

4 結(jié) 論

隨著鐵路建設(shè)重心向中西部轉(zhuǎn)移，對(duì)鐵路設(shè)計(jì)提出了更高的要求[10]。傳統(tǒng)工點(diǎn)勘察模式在繁重的勘察任務(wù)、高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求和工程周期面前面臨很大挑戰(zhàn)。

地面激光雷達(dá)技術(shù)作為一種快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的測(cè)量方法[11]，能有效克服困難復(fù)雜地區(qū)工點(diǎn)勘察高精度三維地形數(shù)據(jù)獲取的難題[12]，可生產(chǎn)鐵路工點(diǎn)設(shè)計(jì)所需的橫縱斷面、地形圖，提取不良地質(zhì)信息。

工程實(shí)踐應(yīng)用表明，基于地面激光雷達(dá)技術(shù)的工點(diǎn)勘察方法可有效提高安全系數(shù)和成果質(zhì)量，降低外業(yè)工作強(qiáng)度，大幅提高工作效率。