三維激光掃描儀在隧道中的應(yīng)用

為了獲取高精度的完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，隧道測(cè)量工程過程中一般包括項(xiàng)目計(jì)劃定制、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制。

（1）采集方案

掃描項(xiàng)目確定后，實(shí)施技術(shù)負(fù)責(zé)人應(yīng)仔細(xì)了解工程需求，為保證技術(shù)設(shè)計(jì)的合理性并能順利實(shí)施，需確認(rèn)工程現(xiàn)場(chǎng)情況和控制點(diǎn)情況。根據(jù)掃描對(duì)象形態(tài)、空間分布、掃描精度、分辨率確認(rèn)測(cè)站位置和三維激光掃描儀參數(shù)等。

①掃描儀參數(shù)選擇,掃描儀品牌較多，激光波長、數(shù)據(jù)采樣率、最小點(diǎn)間距、測(cè)距精度、測(cè)距范圍等指標(biāo)各有不同，參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)注意最佳掃描距離、每站掃描區(qū)域、分辨率等指標(biāo)。

②測(cè)站布設(shè)選擇,掃描儀在掃描過程中可以設(shè)站建立與項(xiàng)目工程匹配的絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，在無特殊要求時(shí)能滿足項(xiàng)目需求。為了保證測(cè)站精度，需要注意現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)，測(cè)站距離控制點(diǎn)過遠(yuǎn)或控制點(diǎn)夾角過小等都會(huì)引起測(cè)站精度降低，從而影響整個(gè)測(cè)站點(diǎn)云精度。

（2）獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

掃描開始前需要做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，主要包括三維激光掃描儀、人員、交通、后勤保障、測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)等。針對(duì)不同設(shè)備在一個(gè)測(cè)站上具體的掃描操作方法會(huì)有所不同。一個(gè)測(cè)站上掃描的基本步驟為：

①儀器整平

儀器開機(jī)，整平。

②儀器設(shè)站

設(shè)站方式一般有：已知方位角、已知后視點(diǎn)以及后方交會(huì)等方法，可以輕松的將掃描儀架設(shè)在任意位置，通過后方交會(huì)的方式實(shí)現(xiàn)高精度的不同測(cè)站的絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，確保獲取高質(zhì)量的掃描成果。

③參數(shù)設(shè)置
當(dāng)確認(rèn)儀器設(shè)站成功后，啟動(dòng)掃描模塊進(jìn)行掃描參數(shù)的設(shè)置，主要包括測(cè)站號(hào)、掃描范圍、分辨率等相關(guān)參數(shù)設(shè)置。其中與精度相關(guān)參數(shù)設(shè)置要與項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)相符，目前主流的掃描儀設(shè)置基本上都是這幾個(gè)參數(shù)設(shè)置，總體比較簡(jiǎn)單。

④開始掃描

當(dāng)確認(rèn)儀器參數(shù)設(shè)置正確后，可以執(zhí)行掃描操作。儀器在掃描過程中會(huì)有掃描進(jìn)度顯示，完成掃描剩余的時(shí)間，如果有問題可以暫停或者取消掃描。

當(dāng)儀器掃描結(jié)束后，可以檢查掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量，不合格的需要重新掃描。如有人員走動(dòng)造成局部區(qū)域遮擋或有問題區(qū)域，可以在掃描儀上進(jìn)行局部點(diǎn)測(cè)量，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性完整性。為了保證后續(xù)工作順利完成，在測(cè)站上應(yīng)做好觀測(cè)紀(jì)錄，主要內(nèi)容包括掃描位置、有效范圍（一般取半徑50米）、掃描時(shí)間、掃描操作人、測(cè)站編號(hào)、參數(shù)設(shè)置等。

⑤換站掃描

當(dāng)確認(rèn)測(cè)站相關(guān)工作完成無誤后，可以將儀器般到下一測(cè)站，重復(fù)上述4個(gè)步驟的工作，注意與前一個(gè)測(cè)站需要相同的工程文件名稱、分辨率等特殊指標(biāo)參數(shù)的設(shè)置。

⑥數(shù)據(jù)輸出

當(dāng)全部掃描完成工作后，依據(jù)數(shù)據(jù)文件大小，如果項(xiàng)目工程需要可在現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入SD卡/U盤，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

⑦結(jié)束掃描工作

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，關(guān)閉儀器，整理相關(guān)部件，儀器馬達(dá)停止工作后取出電池裝箱，可以結(jié)束掃描外業(yè)工作。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

①項(xiàng)目工程采集的原始點(diǎn)云，在對(duì)應(yīng)廠家的自帶軟件進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理格式轉(zhuǎn)換。以Collage為例，在此項(xiàng)目中主要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀取、點(diǎn)云拼接以及點(diǎn)云預(yù)處理工作。Collage以數(shù)據(jù)庫的形式對(duì)各個(gè)掃描任務(wù)進(jìn)行獨(dú)立管理，單個(gè)數(shù)據(jù)庫軟件顯示界面可加載百億級(jí)點(diǎn)云且不會(huì)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象。在此步驟的主要工作是創(chuàng)建以本次掃描內(nèi)容為標(biāo)題的數(shù)據(jù)庫，然后將掃描的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Collage中。

②數(shù)據(jù)去噪及導(dǎo)出。

點(diǎn)云配準(zhǔn)完成后，自帶真實(shí)絕對(duì)大地坐標(biāo)系的海量數(shù)據(jù)。軟件對(duì)海量數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行去噪處理，利用Collage對(duì)隧道數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，將同樣位置的點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算和自動(dòng)過濾，最終以整體的方式得出一份數(shù)據(jù)質(zhì)量好、噪聲小、高精度數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云預(yù)處理完成后，基于專業(yè)應(yīng)用方向軟件需求，將數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的格式導(dǎo)出。點(diǎn)云常用的格式有：LAS、PTS、E57、XYZ、PCD等格式。

（4）超欠挖分析

針對(duì)不同的行業(yè)有不同專業(yè)的點(diǎn)云處理軟件，目前國內(nèi)施工隧道行業(yè)應(yīng)用的比較多的是安伯格隧道超欠挖專業(yè)軟件Amberg Tunnel。該軟件是專為隧道建設(shè)設(shè)計(jì)的、經(jīng)過全球千余地下工程項(xiàng)目實(shí)踐檢驗(yàn)的隧道綜合測(cè)量解決方案，支持各種隧道施工工法和施工階段。配合和引導(dǎo)高精度測(cè)量硬件設(shè)備，高效、精準(zhǔn)完成各個(gè)施工階段的測(cè)量作業(yè)任務(wù)，不但顯著提高了數(shù)據(jù)采集和分析的效率、精度，而且在高密度掃描斷面超欠挖分析、精細(xì)化開挖方量分析、襯砌厚度分析、巖土工程監(jiān)測(cè)分析和隧道竣工資料存檔等方面有優(yōu)秀表現(xiàn)，下面以Amberg Tunnel為例，簡(jiǎn)述隧道點(diǎn)云處理流程。

①建立隧道模型

A.設(shè)計(jì)中線。依據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的平、豎曲線，在Amberg Tunnel軟件中定義施工隧道（正洞、豎井）設(shè)計(jì)中線。在軟件里計(jì)算逐樁坐標(biāo)，與設(shè)計(jì)單位提供的逐樁坐標(biāo)相核對(duì)，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

B.施工階段。依據(jù)掃描的點(diǎn)云定義開挖、初支、二襯三個(gè)基本的施工階段，導(dǎo)入不同施工階段的設(shè)計(jì)理論斷面，并定義不同等級(jí)圍巖斷面對(duì)應(yīng)的里程信息，構(gòu)建隧道設(shè)計(jì)模型。

②導(dǎo)入預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)
經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入的Amberg Tunnel軟件中，自動(dòng)定位出測(cè)站里程信息，雙擊打開點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，軟件提供兩種過濾模式：

A.按照距離、里程過濾現(xiàn)在三維激光掃描儀存在性能過剩，掃描半徑一般幾十米、幾百米，在隧道超欠挖高精度應(yīng)用方面，過遠(yuǎn)的距離會(huì)造成精度降低，目前行業(yè)默認(rèn)隧道掃描有效半徑不高于40米，軟件提供按照距離半徑、按照隧道里程一鍵式過濾冗余數(shù)據(jù)。

B.按照固定的分辨率過濾按照固定的分辨率對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行抽稀過濾，降低采樣分辨率，從而提高處理速度。

③超欠挖分析計(jì)算

點(diǎn)云導(dǎo)入成功后下一步進(jìn)行點(diǎn)云的分析處理，超欠挖分析。

a.過濾距離理論施工階段設(shè)計(jì)模型一定距離的-內(nèi)部點(diǎn)（風(fēng)管/臺(tái)車/拱架等）。

b.過濾距離理論施工階段設(shè)計(jì)模型一定距離的-外部點(diǎn)（避險(xiǎn)洞等），例如，單站有效里程長度80米，配備專業(yè)電腦，超欠挖分析計(jì)算時(shí)間5分鐘。

   ④3D視圖

軟件界面可以實(shí)時(shí)的顯示鼠標(biāo)任意位置斷面的超欠挖信息，同時(shí)用不同的顏色區(qū)分隧道超欠挖分部情況。

（5）質(zhì)量控制措施   

在隧道鉆爆法施工中，隧道超挖或者欠挖是不可避免的，但在實(shí)際施工中，部分項(xiàng)目對(duì)超挖、欠挖的認(rèn)識(shí)不夠，以至于開挖成型質(zhì)量較差，其不僅對(duì)隧道施工的工程質(zhì)量和安全進(jìn)度產(chǎn)生重要的影響,而且會(huì)影響工程的經(jīng)濟(jì)效益，所以隧道超欠挖問題必須引起重視。

隧道施工源于成本控制，三維掃描測(cè)量系統(tǒng)主要應(yīng)用于開挖超欠挖控制、初噴方量控制、初噴不平整度控制、二襯凈空驗(yàn)收三個(gè)階段。

根據(jù)顯示顏色和超欠挖數(shù)據(jù)，查找超欠挖區(qū)域。對(duì)于超挖地段，向施工工程師提交資料，分析圍巖情況和炮眼布設(shè)間距，可建議下循環(huán)技術(shù)交底中調(diào)整外插角和裝藥量，直至超挖量滿足要求。對(duì)于欠挖地段通知當(dāng)班的施工作業(yè)人員及時(shí)處理，以免后期費(fèi)工費(fèi)時(shí)。