繆志修，劉 志，趙有兵

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

傳統(tǒng)的斷面采集效率、采集精度較低，不能快速響應(yīng)任意里程段的斷面數(shù)據(jù)，三維激光掃描儀可迅速獲取隧道的高精度完整點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)了1：1“實(shí)景復(fù)制”，測(cè)量高效、全面、精確和直觀，相比傳統(tǒng)方法具有更多優(yōu)勢(shì)。

本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，采用徠卡RTC360掃描儀對(duì)該隧道進(jìn)行掃描，并在采集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上結(jié)合設(shè)計(jì)線位進(jìn)行斷面的采集。實(shí)踐結(jié)果表明，采用該技術(shù)能夠快速獲取隧道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并采用配套的專業(yè)軟件，能夠快速提取線路任意里程處的斷面數(shù)據(jù)。

1 工程概況及掃描技術(shù)要求

成蘭鐵路（Chengdu-Lanzhou Railway）為中國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，是一條連接四川省成都市和甘肅省蘭州市的鐵路。成都-蘭州鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速200 km，全長(zhǎng)573 km，是中國(guó)鐵路一類雙線電氣化快速鐵路，該項(xiàng)目為成蘭鐵路的楊家坪隧道，位于高川-茂縣區(qū)間，楊家坪隧道位于龍門山中央活動(dòng)斷裂與龍門山后山活動(dòng)斷裂之間，全長(zhǎng)12 815 m。其中進(jìn)口至DK112+720段1 500 m為雙洞單線分修隧道，DK112+720～DK123+845段11 125 m為單洞雙線合修隧道，出口DK123+845～DK124+035段190 m茂縣車站伸入隧道，為三線車站大跨隧道。本隧道線路縱坡為單面上坡，最大埋深745 m。

本次隧道三維激光掃描里程范圍為DK113+395~DK121+07。本隧道已經(jīng)完成了洞內(nèi)二等導(dǎo)線的測(cè)量，導(dǎo)線布設(shè)方法為每隔300～400 m在隧道內(nèi)兩側(cè)布設(shè)1對(duì)CPⅡ點(diǎn)。由于在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)需要三維坐標(biāo)點(diǎn)，因此采用水準(zhǔn)儀對(duì)每個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)高程進(jìn)行了測(cè)量。為了提高拼接精度，本次掃描采用的拼接方式為每段導(dǎo)線點(diǎn)之間的范圍內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，由于該掃描儀的掃描標(biāo)靶的精度受距離的影響，離測(cè)站距離越遠(yuǎn)，標(biāo)靶擬合的精度越低，因此本項(xiàng)目最后確定的標(biāo)靶距離為30 m處，布設(shè)4個(gè)標(biāo)靶。

2 基于RTC360隧道點(diǎn)云獲取技術(shù)

RTC360是瑞士徠卡公司推出的一款短距離地面三維激光掃描儀，該掃描儀的工作溫度為-5~40℃之間，測(cè)距距離為0.5~130 m。掃描范圍水平為360×60°，即水平360°，垂直方向?yàn)?300~300°。

該款掃描儀具有高性能、中型尺寸、輕量化的特點(diǎn)，主要用于高密度三維點(diǎn)云和高分辨率全景照片的現(xiàn)實(shí)捕捉，單站作業(yè)時(shí)間短，即掃即走，減少掃描等待時(shí)間。同時(shí)，該掃描儀集成多種傳感器，基于IMU的傾斜補(bǔ)償，掃描無(wú)需整平，支持不同角度掃描，外業(yè)測(cè)量任務(wù)更簡(jiǎn)單。該掃描儀掃描速度可以達(dá)到200萬(wàn)點(diǎn)/s，點(diǎn)位精度高達(dá)1.9 mm，測(cè)角精度18"，測(cè)距精度達(dá)到1 mm+10 ppm。

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取流程

數(shù)據(jù)的采集過(guò)程可分為：現(xiàn)場(chǎng)踏勘、標(biāo)靶布設(shè)和激光掃描3個(gè)部分。

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

在地面三維激光掃描中，掃描站點(diǎn)布設(shè)的優(yōu)劣直接影響項(xiàng)目的工期和成本以及后期數(shù)據(jù)處理的進(jìn)度。因此，在地面激光掃描中需要進(jìn)行站點(diǎn)的規(guī)劃布設(shè)，站點(diǎn)布設(shè)的原則如下：

（1）確保在各掃描位置獲得的數(shù)據(jù)能夠覆蓋完整的掃描區(qū)域。

（2）在得到完整數(shù)據(jù)的前提下，應(yīng)盡量選擇較少的掃描站數(shù)，以減少搬站次數(shù)。

（3）相鄰測(cè)站之間必須至少布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)靶，并保證這些標(biāo)靶能在相鄰兩站掃描中可視。

（4）確保布設(shè)的標(biāo)靶在掃描過(guò)程中不被遮擋。

2.1.2 標(biāo)靶布設(shè)

由于受限于隧道內(nèi)的光線，采用RTC360三維激光掃描儀時(shí)，全景照片獲取的效果較差，因此在外業(yè)掃描時(shí)，為了提高工作效率，關(guān)閉了全景相片獲取的功能。

根據(jù)踏勘時(shí)制定的掃描方案、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和通視情況布設(shè)標(biāo)靶。由于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中需要根據(jù)標(biāo)靶進(jìn)行掃描站之間的拼接、掃描站坐標(biāo)系與工程獨(dú)立坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以標(biāo)靶應(yīng)盡量在掃描范圍內(nèi)均勻布設(shè)，起到控制作用，減小誤差。當(dāng)掃描需要多站時(shí)，連續(xù)兩站之間應(yīng)該有至少3個(gè)公共標(biāo)靶（為了提高拼接精度，應(yīng)多布設(shè)4個(gè)以上公共標(biāo)靶），同時(shí)這4個(gè)標(biāo)靶的布設(shè)不能在1條線上，盡量構(gòu)成大地四邊形形狀，以提高拼接精度，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)靶的布設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)靶布設(shè)示意圖

2.1.3 激光掃描

確定好標(biāo)靶布設(shè)位置后，就可以采用RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，其提供了幾種掃描方法，為了能夠更好地獲取得到標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，本次掃描采用最高密度的點(diǎn)云進(jìn)行掃描。單站點(diǎn)云掃描如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云掃描效果圖

2.2 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)拼接

2.2.1 冗余數(shù)據(jù)的裁剪

由于受標(biāo)靶以及點(diǎn)云密度的影響，距離掃描儀越遠(yuǎn)處，點(diǎn)云精度及密度越差，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接前，將冗余的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，減少數(shù)據(jù)量。本項(xiàng)目只保留了掃描儀測(cè)站前后35 m的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖3為裁剪后的單站數(shù)據(jù)。

圖3 點(diǎn)云裁剪后的效果圖

2.2.2 數(shù)據(jù)拼接原理

激光掃描時(shí)，每一掃描站點(diǎn)數(shù)據(jù)都有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了能將各站點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下，就需要各站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和配準(zhǔn)。

目前點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)主要有兩種方法：第一種主要是利用高精度的測(cè)量設(shè)備，如全站儀來(lái)獲取多站點(diǎn)云之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種配準(zhǔn)的原理是在掃描物體的周圍布設(shè)至少3個(gè)控制標(biāo)靶，并且掃描儀在掃描時(shí)能夠自動(dòng)掃描到控制標(biāo)靶；同時(shí)采用全站儀測(cè)量出控制標(biāo)靶的中心坐標(biāo)。通過(guò)這2組數(shù)據(jù)（即掃描儀掃描的標(biāo)靶擬合的中心點(diǎn)和全站儀測(cè)量的標(biāo)靶數(shù)據(jù)中心點(diǎn)坐標(biāo)）就能計(jì)算出轉(zhuǎn)換關(guān)系的參數(shù)，即基于地理坐標(biāo)的拼接方法。

另一種是利用三維激光掃描儀所獲取的地物特征來(lái)計(jì)算各掃描站之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種方法是在采集后，通過(guò)選取明顯的公共特征點(diǎn)（如本項(xiàng)目中布設(shè)的特制標(biāo)靶）作為匹配的目標(biāo)，至少尋找3對(duì)公共特征點(diǎn)來(lái)計(jì)算出轉(zhuǎn)換關(guān)系的參數(shù)，即基于同名點(diǎn)的拼接方法。對(duì)于要求高精度的項(xiàng)目推薦使用全站儀測(cè)量標(biāo)靶中心坐標(biāo)的方式進(jìn)行拼接。

本次掃描采用2種方法相結(jié)合的方式進(jìn)行，即2段導(dǎo)線點(diǎn)之間的測(cè)站采用布設(shè)的公共標(biāo)靶的方式進(jìn)行拼接，每個(gè)測(cè)段一般控制在9站左右。待該測(cè)段內(nèi)9站數(shù)據(jù)拼好后，再采用前后4個(gè)導(dǎo)線的坐標(biāo)，將掃描儀測(cè)站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工程獨(dú)立坐標(biāo)系下。

2.2.3 數(shù)據(jù)拼接方法

本項(xiàng)目的掃描數(shù)據(jù)拼接在徠卡cyclone軟件下進(jìn)行，具體流程如下：

執(zhí)行Create＞Registration。數(shù)據(jù)庫(kù)列表中將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)帶有標(biāo)靶符號(hào)的圖標(biāo)，添加需要拼接的站點(diǎn)文件和控制點(diǎn)文件。如果標(biāo)靶和控制點(diǎn)能一一對(duì)應(yīng)上，這一步不會(huì)彈出任何錯(cuò)誤警告，否則需要檢查標(biāo)靶名稱和控制點(diǎn)名稱是否有誤、掃描站點(diǎn)是否缺少標(biāo)靶。設(shè)置homescanword，一般把控制點(diǎn)文件作為參考。然后選擇Constriant List，在Registraion中選擇Register，查看轉(zhuǎn)換誤差，一般該誤差在3 mm左右。

在Registraion窗口下依次選擇Create scanwod/Freeze Registration。這一步的目的是鎖定住當(dāng)前拼接關(guān)系，并打開(kāi)拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。到此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作完成。圖4為兩站數(shù)據(jù)重疊部分拼接后的點(diǎn)云斷面圖（不同顏色代表不同的測(cè)站數(shù)據(jù)）

圖4 兩站點(diǎn)云拼接后圖

拼接完成后可以通過(guò)控制點(diǎn)列表查看站點(diǎn)拼接的精度，圖5為站點(diǎn)間拼接后的精度指標(biāo)。

圖5 拼接精度列表

從圖5和圖6可以看出，本次站點(diǎn)之間的拼接精度較高，滿足測(cè)量規(guī)范中的要求。

圖6 兩測(cè)站搭接數(shù)據(jù)的拼接后斷面圖

3 基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的斷面提取

隧道斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接及噪點(diǎn)處理后，就可以結(jié)合設(shè)計(jì)線位進(jìn)行斷面的提取。本次隧道斷面的采集采用徠卡本地化軟件，在徠卡隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件中進(jìn)行。具體方法如下：

（1）打開(kāi)HDS程序，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處導(dǎo)入設(shè)計(jì)軸線，如圖7、圖8所示。

圖7 導(dǎo)入設(shè)計(jì)線位

圖8 設(shè)計(jì)線位顯示

（2）在參考測(cè)期窗口處選擇導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖9、圖10所示，此時(shí)要保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的路徑是英文路徑。

圖9 加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖10 疊加點(diǎn)云和線位效果圖

（3）導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，在參考測(cè)期處選擇生成橫斷面（選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)的起始和終止里程及其他參數(shù)，如圖11所示。

圖11 采集斷面參數(shù)設(shè)置

（4）在工具中選擇隧道凈空設(shè)置選項(xiàng)，輸入凈空的計(jì)算參數(shù)，如圖12-圖14所示。

圖12 隧道凈空設(shè)置

圖14 采集得到斷面圖

（5）在左側(cè)選項(xiàng)卡中全選所有生成的橫斷面，在工具中選擇隧道凈空計(jì)算，如圖15所示。

同時(shí)該軟件還可以導(dǎo)出斷面的Excel數(shù)據(jù)。通過(guò)上述步驟，得到隧道三維掃描凈空成果，及斷面掃描成果，可在下一步施工中作為參考資料。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)具有很強(qiáng)的工程適用性，在隧道斷面采集方面，三維激光掃描技術(shù)具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義，有著巨大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的斷面采集方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)在某些情況下還難以獲取令人滿意的結(jié)果。將三維激光掃描技術(shù)引入到隧道工程領(lǐng)域，對(duì)隧道的斷面采集以及凈空分析方面有著傳統(tǒng)測(cè)量方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)。另外，這種新技術(shù)的引入大大降低了調(diào)查人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，可以得出，采用RTC360掃描儀對(duì)隧道進(jìn)行掃描，能夠滿足隧道凈空三維激光掃描對(duì)測(cè)量精度的要求。

圖13 斷面參數(shù)設(shè)置圖

圖15 隧道凈空分析圖