刘巨才
中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津市 300000
摘要：随着激光扫描仪技术的发展和进步，其在精细三维数据建模方面具有数据精度高、采集速度快的优势，已被逐步应用到工程测量的多个领域。受采集手段的限制，传统技术存在采集速度慢、采集点数据量少、不能全面反映隧道真实情况等缺陷。将激光扫描仪技术 应用于隧道竣工测量，自动化程度高、数据采集速度快，可大大提高隧道检测数据采集的速度和精度，并能提供详尽的三维真实影像模型，直观反映隧道内部情况。
关键词：激光扫描仪技术；点云；隧道竣工测量
1三维激光扫描技术在隧道竣工测量中的应用概述
1.1三维激光扫描技术原理三维激光扫描系统主要是由三维激光扫描仪、系统软件构成，其中，三维激光扫描仪的组成包括扫描系统、控制系统、计算机系统。（1）扫 描系统包括激光发射/接收器、水平/垂直发射棱镜、滤光镜以及一些内部软件，分为测距和扫描模块。（2）控制系统主要是通过计算机总线控制测距和扫描模块。（3）计算机系统包括微处理器与存储器，计算机系统向控制仪器发出指令，并实时存储测量数据。三维激光扫描系统实际工作过程：由一台高速转动的马达驱动扫描头转动，同时激光发射器发射激光，经过待测物体后反射回扫描系统，扫描系统接收激光并分析计算目标物体表面三维坐标信息、反射强度信息等。
1.2 三维激光扫描技术类型
经过多年的发展与运用，我国三维激光扫描技术逐渐成熟，类型众多，根据不同的测距原理、测量平台等可将其划分为以下种类。（1）测距原理：相位式、脉冲式、三角测距。（2）测量平台：便携式、地面型、机载型、车载型。（3）厂商品牌：运用较多的有品牌有瑞士Leica、美国的Faro和Trimble、德国的Z+F、澳大利亚的Riegl、加拿大的Optech等。在上述诸多三维激光扫描设备中，地面型的应用较多，主要可以分为两类，静站式和移动式。移动式激光扫描仪在地铁隧道结构测量中的运用优势更为显著，扫描系统搭载于移动工具上，可适应多种复杂的作业地形、环境，高效获取数据信息，文章主要以该类激光扫描设备为研究对象。
1.3 隧道结构中三维激光扫描技术应用流程
在隧道施工、运营期间，面对管片渗漏水、裂缝以及隧道变形、收敛等问题，采用稳定、可靠的检测技术十分重要，传统检测方法存在局部性与间断性，而移动式激光扫描系统可实现实时动态检测，可适应狭长、昏暗的检测环境，具体应用流程如下。（1）制订工作计划。三维扫描检测技术在地铁隧道结构中的应用，需合理选择仪器设备、提前制订完善的工作计划。第一，确定扫描长度，根据实际检测需求，确定扫描隧道的里程区间；第二，设置设计值，在扫描前需通过导入里程区间的设备限界和建筑限界，用于后期所测数据进行比较分析；第三，确定采样密度，根据隧道壁面的情况与精度要求，确定扫描仪所需设置的分辨率。（2）外业工作。地铁隧道结构中，现场组装三维扫描设备，将设备抬上地铁轨道，设定好参数，使扫描设备沿着轨道与既定参数工作，扫描获取隧道壁面数据；完成扫描后现场实时检验扫描到的数据是否满足要求[1]。（3）内业工作。完成隧道结构的三维激光扫描后进行数据处理，内业工作步骤为数据预处理→断面数据提取→椭圆度分析→成果生成→导出高清影像图→病害标注。
2隧道竣工测量作业
本文选用天宝TX8扫描仪。
该扫描仪凭借Trimble独有的LightningTM技术，具有360°×317°的视场角和100万点/s的数据获取速度，且不受测程影响，能保证每个测站的测量在3min内完成。
2.1外业数据采集
天宝TX8扫描仪外业操作相对简单，仪器安装在脚架上后置平，建立项目，设置扫描参数，即可开始扫描。由于一般情形下需设置多个测站才能完成整个项目的测量，子项目之间需保证一定距离的重叠，需设置至少3个球形或平面标靶作为同名点衔接测站之间的数据。为了实现激光扫描仪成果从自定义坐标系到工程坐标系的配准，应保证至少3个靶标具有工程坐标系的精确坐标。
2.2数据预处理与坐标配准测量
数据导入天宝RealWorks处理软件后，利用软件提供的配准方式对测量数据进行预处理和配准，使各测站之间的数据拼合成一个整体，并从测站坐标系纠正到统一的地理坐标系中。由于球形靶标拟合球心坐标在算法上具有更高的精度，因此隧道竣工测量中选用球形靶标进行测站定位[2]。由生成的配准报告可知，绝对坐标配准最大误差约为3mm，符合定位精度要求。
2.3扫描数据编辑
在扫描仪获得的数据中，由于存在大量不属于隧道管壁的内容，需在软件中手动剔除这些数据。手动剔除需分段编辑、效率较低，本文开发了相应的程序对点云进行剔除，能自动删除大部分无效数据，提高了数据处理的效率，降低了人工劳动强度。
2.4隧道设计数据导入
为实现隧道扫描数据与设计模型的对比，就需要建立隧道设计的三维模型，首先将隧道中心数据导入Real Works处理软件，利用每米间隔三维坐标数据生成隧道中心的三维轴线；然后在垂直于轴线的平面上绘制一个标准设计断面；最后Real Works处理软件根据上述两个要素生成隧道的三维模型。在Real Works主菜单Inspection下选择Surfaceto Model Inspection，进入表面到模型检查，根据需要设定断面的间距、起始点和结束点以及采样点的密度等参数，可得到批量断面检测结果。Real Works处理软件利用色彩来反映整个隧道模型不同程度的偏差。
2.5成果输出
虽然Real Works处理软件可以生成断面报告来显示断面各个位置的偏差，但对于隧道断面尤其是圆形隧道断面而言，更重要的是反映实际隧道断面的准确圆心坐标以及它与设计圆心的偏差[3]。为了使断面检测报告格式更加符合要求，本文将断面提取数据导出到Auto CAD中，再利用自己开发的程序对导出数据进行提取处理，生成所需的报告形式。
2.6点云数据抽稀
点云数据量较大，且由于目标距离和角度的不同，点云密度也不均匀，有必要对点云进行抽稀，从而大大减少点云的数据量，基本不损失数据精度，对于后期的数据处理效率至关重要[4]。
2.7点云数据自动过滤
本文通过分析点云文件格式，利用 C sharp语言开发了相应的程序，实现了对 LAS格式点云数据文件的高效读取和处理；通过三维坐标和隧道设计轴线的数学关系，对无序点云进行有序化管理，并实现了自动筛选，自动剔除无效数据，减少了无用数据；利用 Auto CAD.NET 接口编写程序，自动提取特定里程的断面上的三维点数据，并根据最小二乘法拟合出实际隧道断面圆心坐标，生成自定义格式的断面检查报告，大大提高了处理效率。
结束语：
三维激光扫描技术虽然精度高、数据获取速度快，但数千万乃至上亿个点的数据对计算机硬件、软件处理能力都提出了更高的要求。激光扫描仪硬件技术发展基本成熟，但应用软件的发展相对落后，若想利用激光扫描仪为工程测量服务，就必须拥有成熟的软件，高效率地处理点云数据，这还需要做大量的工作。
参考文献：
[1]江济强,张慧娟,曹千红.三维激光扫描技术在地铁隧道中的应用[J].测绘通报,2019(06):152-154.
[2]魏新元.三维激光扫描技术在张吉怀铁路隧道施工中的应用[J].工程技术研究,2019,4(11):87-88.
[3]冯英会,龚伦,俞景文.三维激光扫描技术在既有交通隧道快速检测中的应用[J].工程建设与设计,2019(10):257-261.
[4]张新.三维激光扫描技术在隧道检测中的应用[J].建材与装饰,2019(12):285-286.