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3D影像扫描技术在综合管廊暗挖施工中的应用

发表时间：2021/4/12 来源：《基层建设》2020年第32期作者：郭振寿

[导读] 摘要：城市地下工程暗挖施工中，特别是周围地表或地下既有建筑和设施密集的地带，开挖过程地表沉降控制是最普遍也是最重要的风险控制点。

        中铁一局集团第二工程有限公司 063004
        摘要：城市地下工程暗挖施工中，特别是周围地表或地下既有建筑和设施密集的地带，开挖过程地表沉降控制是最普遍也是最重要的风险控制点。传统的沉降观测方法主要靠人力进行，需观测处路面或者建筑物上放置沉降观测标。如遇外界环境复杂，人流量多、车辆扰动大的情况，沉降观测标容易松动甚至丢失，这就很容易造成观测数据不准确，非但不能指导施工，还可能导致诸多非常严重的后果，比如地表建筑物倾斜甚至倒塌、地下管线的破坏损毁、既有路面结构因为大量沉降破坏等等。使用3D影像扫描技术进行沉降观测，不仅获取数据及时、准确，还可减少人力、物力投入，且能进行实时数据分析对比，相比传统技术数据的易获得性、准确性和人员作业的安全性都得以大幅提升。
        关键词：3D影像；扫描技术；暗挖工程；施工；应用
        1 前言
        早在19世纪，法国、英国、德国等发达国家就把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合证”、实施城市可持续发展战略的重要途径。近年来地下综合管廊在我国的城市市政建设中也得到了越来越广泛的应用，为满足城市市政管线设置、保护城市环境、实现城市的集约和可持续发展提供了有力的基础设施保证。
        某新机场综合管廊工程全长约12公里，内含电力、通信信号、燃气、自来水和消防水管道等，新机场区域回迁居民用电、用水、燃气与通信信号均从此管廊输入，管廊位于干道高速公路正下方。
        为确保综合管廊结构安全，保证综合管廊正常使用，在综合管廊的施工中测量工作极其重要。综合管廊的变形如果超过一定的限度就会影响到它的正常使用、危及建（构）筑物的安全。所以在工程施工和工程使用期间都需进行严密的沉降观测，通过对观测数据的研究，分析沉降原因及其发展趋势，及时采取措施，以保障工程的施工和使用安全。并通过对沉降观测数据的分析，结合地质资料，综合分析研究其他沉降的规律，对其稳定性进行评价。
        施工现场常用的观测方法有水准测量法、全自动测量法。一般是进行周期性的观测，存在不连续，间隔周期较长，程序复杂和应急能力不足的问题。也很容易因外部客观原因导致观测数据不准确。
        2 3D影像扫描观测技术
        3D影像扫描观测技术即采用高精度三维影像测量仪，在短时间内利用外界扰动小的时间段对高速公路整个路面进行三维扫描以获取高密度、高精度的点云数据，再使用软件对点云数据逆向建立三维模型，就可以对整个路面沉降情况进行分析。
        也可以选定两次或多次三维扫描后点云逆向建立的三维模型的同一个坐标点（X、Y相同），进行高程（Z值）分析，得出沉降观测数据。
        测量数据可导入AUTOCAD中，成为完整的工程图，生成DXF，IGS等格式的文档，也可输入到WORD、EXCEL及SPC统计分析软件中，生成CPK及各种统计报表。
        3 技术要点
        3.1 操作流程

        3.2 仪器配置
        本工程采用Trimble SX10影像扫描仪，每秒可测高达26，600个点的高精度数据，测程可达600m。
        3.3 点云数据的获取及导入
        先对仪器扫描参数进行设置，包括工程文件名称、文件存储位置、扫描范围、分辨率及标靶类型等。仪器参数设置正确后，开始进行三维扫描操作。如有不合格数据可以重新进行扫描。再采用geomagic studio软件对点云数据进行逆向建模，将采集的高密度、高精度的点云三维坐标（x、y、z）以.asc格式导入到软件中，并对点云数据进行统一采样，均衡点云中各点的间距及位置。
        3.4点云数据预处理
        点云数据的预处理主要包括三个阶段：点云的降噪：剔除过滤噪声点，保证后序点云逆向建模的光顺；点云裁剪：对一些松散稀疏及无关的杂点数据进行裁剪删除、保留一些经降噪处理密集均匀的点云数据；点云封装：经降噪、过滤、裁剪处理的点云数据，数据比较完整，通过对点云数据进行封装，进行三角化处理，形式初步三角网格模型。
        3.5 三维模型创建
        3.5.1模型简化：减少三角形数目，保证多边网格模型精度。将形成的初步三角网格模型导入到geomagic qualify软件中，对封装模型中多边格网格内的缺陷进行自动修复。
        3.5.2去除特征：检测并展开多变网格上的单点尖峰，对多边网格模型进行平滑处理，从而保证多边网格模型质量。
        3.5.3模型填充：点云采集过程中由于受到多种因素的影响，并不是所有的三维点数据都能采集到，经封装、简化、平滑处理的多边网格模型，在没有采集到点云数据的地方会出现孔洞，通过模型填充处理，可以得到表面完整、光滑且不变形的整体三维模型。
        3.6 对比分析
        3.6.1模型对齐：将两次或多次采集点云数据逆向建立的三维模型在软件中进行自动对齐叠加。
        3.6.2 3D对比分析：选择两次或者多次采集点云数据逆向建立的三维模型相同的一个或者多个坐标点（x、y相同），与初始模型高程（z值）比较，得出观测数据。
        4 结语
        通过在某新机场综合管廊工程中的应用，我们可得出如下结论：
        4.1 3D影像扫描技术可在短时间内采集到高密度、高精度的全路面三维点云坐标，较好解决了传统观测方法受外界影响导致数据不准确的问题。
        4.2扫描完成的三维点云数据（.asc格式），导入geomagic studio软件可以快速识别、降噪、封装、拟合，逆向形成实体工程三维模型。
        4.3 利用geomagic qualify软件的3D比较功能可快速对两次或者几次点云逆向建立的三维模型进行全面分析，也可针对同一个坐标点（X、Y相同）进行高程（Z值）的对比分析，既为安全施工提供了依据，又为高速公路的正常通行提供了保障。