施甸县保施高速公路投资开发有限公司 云南昆明 650000
摘要：随着我国公路隧道建设规模的持续扩大，越来越多的隧道工程不得不修建在复杂地质条件下，特别是山区地带，并成为连接公路工程的重要纽带。然而，诸多自然灾害等因素（如暴雨、山体滑坡、地震等）均会产生地质变形问题，进而引发隧道初衬砌变形。三维激光扫描技术作为一种无接触的隧道变形检测技术得到了大力发展，它在空间上通过对被测物体表面进行快速扫描，获取物体各部位的三维坐标信息，并将数据导入计算机，利用程序将被测物体的三维轮廓、形态特征迅速重构出来。相比传统的点测量法，三维激光扫描技术具有检测更全面、速度更快的优势，适用于隧道内表面、滑坡体监测等。
关键词：三维激光扫描技术；隧道；变形监测；应用
1 技术原理及优势
三维扫描技术又称“三维实景复制”技术，主要运用激光设备实现待测区域的实景扫描，通过实景扫描可以抓取待测区域环境要素、控制节点点位信息以及被测物体表面的反射强度和颜色信息，生成空间三维点云，即可将待测绘区域的环境、建筑、设备等数字化。三维激光扫描设备主要由激光测距仪、反光棱镜、全息数码相机组成。激光测距仪采用脉冲式测量原理，可以主动发射激光，同时接受来自自然物体的反射信号，实现距离、水平角、竖直角测量，从而计算出被扫描点与测站原点之间的坐标差，若测站点和一个定向点的坐标为已知值，则可以计算出每一扫描点的三维坐标。计算公式如下：
X = Scosθcosα
Y = Scosθsinα
Z = Ssinθ
三维激光成像扫描仪是一种非接触式主动测量系统，可以进行大面积、高密度空间三维数据的采集，所以其数据采集速读极高，与一般的摄影测量相比，具有点位测量精度高，采集空间点的密度大、速度快等特点。由于激光扫描技术是以主动式光源进行测量，可以在无光照情况中进行观测，这给高大建筑物和隧道内扫描观测提供极大便利。并且三维激光扫描仪可以同时接受反射的激光和可见光，可将可见光的强度及色彩赋加在三维坐标点上，形成彩色三维影像。因此点云数据不仅可以包含建筑物表面上离散点的坐标，还包含了色彩参数，通过三维扫描技术测量的点位数据表示形式即为（X，Y，Z，Ｒ，G，B，intensity），不仅包含了点的空间位置关系，还包括点的颜色、灰度等信息。
三维激光扫描技术与传统测量技术相比，具有自动化程度高、人工矫正难度低、受环境和时间约束小、精度及分辨率高等优势。首先，运用非接触扫描的测量方式，无需反射棱镜，目标建筑物不需进行表面处理，即可直接采集物体表面的三维数据，数据采集过程可通过三维激光扫描设备自动完成。其次，三维扫描技术采用“过范围”扫描的方式，其外业测绘范围往往超过实际测绘范围，以保证数据的全面性，故无需进行测量范围校准及草图绘制，只需在内业进行综合取舍，完成制图任务，对于不需要的部分可以直接截取。再次，三维激光扫描技术采用主动发射扫描光束，通过探测自身发射的激光回波信号来获取建筑物信息，因此在扫描过程中不受扫描环境的时间和空间约束。最后，三维激光扫描技术可以快速、高精度获取大量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率实景数据提取的目的，从而减少漏测、少测的情况。
2 基于三维激光扫描技术的隧道检测技术
2.1 在数据获取阶段进行运用
将三维激光扫描技术运用在获取数据环节中，便是在工程开始的时候，在每个站点设立使用扫描技术。获取数据阶段开始过程中，要及时定位每个站点的具体位置，为了确保数据的准确性，在站点附近还应设立一个数据扫描控制区。
这些区域的设定，主要是便于导航系统实时掌控数据方位。既准确测量了建筑物的数据，又运用了科学合理的技术操作。三维扫描技术最主要的作用便是详细分析研究隧道施工时的数据，从而保证工程的安全性，提升质量以及价值。与此同时也缩减了工程量，提高了工作效率。
2.2 在数据处理阶段中应用
针对三维激光扫描技术应用于隧道检测工程中，可以借助排除噪音、多方位观察、改变地理坐标等方法进行数据管理，进而为隧道检测工程提供保障。通过三维激光扫描技术的操作，隧道工程实际工作过程变得严格，在数据记录进入系统后，可以把没有联系的数据删除，减少对隧道工程的影响。等到隧道数据收集完毕后，首先采取先进的科学技术对其进行分析，保证最大可能的准确性以及真实度。因为现在采用三维激光扫描技术的工程数量较多，如果操作不精确，那么便会直接造成建筑的施工出现问题，更严重会导致数据出现偏差。所以在三维激光扫描技术使用过程中，应当严密关注数据的分析处理问题，联合基本结构的标准要求，使用最合理的方式进行精简，把握好每个数据之间的长度以及距离问题，确保隧道监测工作的完整运行。由于在隧道检测过程中，三维激光扫描技术仍会存在或多或少的误差，因此必须要确定每个坐标的零点位置，基本要求零点坐标都是中心点，然后将零点坐标为中心，依序确定相应的其他坐标位置，考虑到隧道的实际情况以及基本要求，须得时刻检测数据的变换情况，促进隧道检测工作的顺利进行。一旦隧道内的坐标位置发生改变以后，需要联系实际工程情况，处理好每项数据的配对工作，从而提升此项操作的规范性。因为隧道检测工作严密且复杂，所以也给实际操作带来了很大的难度，所以采用三维激光扫描技术进行隧道检测时，必须要掌控好扫描的精准度，控制激光扫描的频率，保证最后获得的数据完整且准确，从而完成最终的检测目标。
2.3隧道建模分析
运用三维激光扫描技术进行隧道检测时，对于隧道数据的收集工作，必须要展开合理规范的隧道建立模型分析，确保隧道检测的稳定性以及精确度。换句话说，就是在隧道检测的实际操作中，三维激光扫描仪扫描出来的各项数据，可以通过曲面的形式在图中完整体现出来、并且将此项分析结果作为基本根据，开始建立三维模型。建造模型的过程中，将工程现如今的实际情况联系在一起，选择合适的数据支持，通过Cyclone软件的协助，对隧道检测工作进行排除噪音、切割以及拼接相应设备的工作，然后建造三维模型，最终获取准确的数据报告，使得隧道工程操作更加精准，同时也对于以后的工作提供了完整的操作经验。通过与上一期隧道表面的对比，可迅速、详细且准确地反映隧道形变的位置和范围，直观表示隧道的变形值，在隧道的安全监测中能发挥重要作用。在联络通道的施工过程中，利用激光扫描仪采集的三维数据建立三维立体模型，并与设计模型进行对比，可直观反映联络通道的超欠挖情况，
3结语
隧道变形监测是一种隧道例行检查工作，通过监测隧道变形情况，可真实地了解隧道的健康状况。三维激光扫描是一种新兴的、高精度、主动性强的隧道变形检测技术，可有效克服传统检测技术的缺陷，值得推广应用。
参考文献：
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[2]张明智，张明栋.三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用[J].城市勘测，2018（03）：144-147.
[3]薛松.三维激光扫描技术在隧道工程检测中的应用[J].工程建设与设计，2018（02）：260-261.
作者简介：
莫江春，1995.3，男，重庆梁平，硕士研究生，公路工程。
资助项目：
云南交通厅科技项目（云交科教[2018]22号）