成 樞,朱玉明,牛英杰,董加江

(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東天昀和測(cè)繪工程有限公司，山東 淄博 255000；3.山東新陶陽(yáng)礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 肥城 271624)

交通工程的正常運(yùn)營(yíng)是現(xiàn)代社會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ), 由于外界因素以及結(jié)構(gòu)本身缺陷等作用, 交通工程結(jié)構(gòu)使用性能衰退, 安全與耐久性降低, 甚至?xí)霈F(xiàn)安全事故。通過(guò)科學(xué)有效的方法對(duì)交通工程進(jìn)行合理的檢測(cè)與評(píng)定, 是對(duì)交通工程進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)管理, 維修加固的重要手段[1]。

三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)新興的獲取物體空間數(shù)據(jù)的方式, 具有精度高、速度快、非接觸測(cè)量及穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn), 從而能夠獲取物體表面的信息特征[2-4]。在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)、滑坡監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)、地形測(cè)繪、建筑測(cè)繪、文物保護(hù)、三維模型重構(gòu)、土石方算量等領(lǐng)域[5-6]。本文通過(guò)簡(jiǎn)略介紹三維激光掃描技術(shù)的原理, 并結(jié)合具體的測(cè)量案例闡述三維激光掃描技術(shù)在高速公路沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描獲取的點(diǎn)都帶有三維坐標(biāo)，與全站儀測(cè)量原理基本類(lèi)似，是由測(cè)角、激光測(cè)距和輔助系統(tǒng)組成的。獲取點(diǎn)云的坐標(biāo)系是掃描儀自身的儀器坐標(biāo)系。掃描儀的中心位置定義為坐標(biāo)原點(diǎn)O，Z軸垂直于儀器的橫向掃描面豎直向上，X、Y軸在坐標(biāo)系的水平面上，Y軸常是掃描儀的激光發(fā)射方向，X軸垂直于YOZ平面向右，構(gòu)成了右手直角坐標(biāo)系[7-9]。三維坐標(biāo)測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 三維坐標(biāo)測(cè)量原理圖

圖中，斜距S是被測(cè)物體表面任意點(diǎn)P到掃描儀中心的距離，水平角α是橫向掃描角度值，豎直角β是縱向掃描角度值。

任意被測(cè)點(diǎn)P的坐標(biāo)公式如式(1)所示[10]。

(1)

2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

2.1 研究區(qū)概況

S市城市軌道交通4號(hào)線(xiàn)三期主體工程4301標(biāo)段清湖北站-竹村站區(qū)間盾構(gòu)段隧道設(shè)計(jì)為兩分離盾構(gòu)法隧道單洞。盾構(gòu)機(jī)上方為JH高速路面，為了預(yù)防JH高速公路路面出現(xiàn)明顯下沉和突變，影響JH高速公路的正常通行，甚至出現(xiàn)安全事故，要求掘進(jìn)過(guò)程中必須要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)高速公路沉降變化量，整個(gè)沉降周期的變化值不能超過(guò)3 cm。

由于JH高速公路的特殊性：客流量大，監(jiān)測(cè)工作不能影響高速公路的正常運(yùn)行，更不能封路，為了保證JH高速公路監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的正常安全進(jìn)行，決定采用Trimble SX10全站掃描儀對(duì)高速公路進(jìn)行全面科學(xué)的監(jiān)測(cè)。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本文通過(guò)對(duì)兩個(gè)時(shí)期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、處理以及變形分析，同時(shí)將其與二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果作對(duì)比，分析三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)高速公路沉降監(jiān)測(cè)的可行性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)置了2個(gè)測(cè)站點(diǎn)以及8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)站點(diǎn)架設(shè)SX10全站掃描儀并后視建站，平面坐標(biāo)系及高程坐標(biāo)系均為獨(dú)立坐標(biāo)系，假定K1點(diǎn)坐標(biāo)為(2 000，1 000，20)，K1K2方位角為90°，使用全站儀功能，測(cè)出8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的坐標(biāo)，方便后期在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取相同位置與水準(zhǔn)測(cè)量做變形分析的比較。之后對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)項(xiàng)掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在車(chē)輛過(guò)多時(shí)或者距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)可以多掃幾遍，以防止點(diǎn)云稀疏對(duì)點(diǎn)云后處理造成影響。

同時(shí)使用天寶DiNi電子水準(zhǔn)儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

圖2 點(diǎn)位分布圖

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)使用的是天寶SX10全站掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)需要建站，因此采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都帶有絕對(duì)坐標(biāo)信息，不需要轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，也不需要進(jìn)行配準(zhǔn)，所以數(shù)據(jù)預(yù)處理比較簡(jiǎn)單。本次數(shù)據(jù)處理主要是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪和精簡(jiǎn)。

噪聲對(duì)點(diǎn)云的建模和對(duì)比分析影響很大，因此必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。使用TRW軟件中的“分割”功能，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行手動(dòng)去噪。

圖3 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪

掃描儀掃描時(shí)，一定范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)云密度較大，距離越遠(yuǎn)，掃描到的點(diǎn)云越稀疏。因此獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有一部分點(diǎn)云密度很稀，無(wú)法使用。需要進(jìn)行點(diǎn)云精簡(jiǎn)，否則會(huì)影響變形分析。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理

高速公路的沉降量可以通過(guò)比較點(diǎn)云到參考模型的距離獲得，在此將該方法簡(jiǎn)稱(chēng)C2M。因本文是對(duì)公路路面進(jìn)行建模，公路路面沒(méi)有明顯的特征點(diǎn)、線(xiàn)，只能使用曲面重構(gòu)法進(jìn)行建模，同時(shí)由于自身?xiàng)l件因素，選用Geomagic control軟件對(duì)公路進(jìn)行建模與分析。具體的實(shí)驗(yàn)流程及結(jié)果如下。

表1局部位置沉陷量表

圖4 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)

首先導(dǎo)入數(shù)據(jù)，將預(yù)處理后的兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到Geomagic control中，在這里選擇第一期測(cè)量數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后一期測(cè)量數(shù)據(jù)作為比較數(shù)據(jù)。

選定基準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其生成模型并將生成的模型設(shè)置為參考模型。

圖5 基準(zhǔn)點(diǎn)云生成的模型

將最后一期數(shù)據(jù)與參考模型進(jìn)行對(duì)比得到的變形值通過(guò)色譜圖顯示出來(lái),并通過(guò)“比較點(diǎn)”查看需要的局部位置的變形值。

由3D分析色譜圖和局部位置沉陷量表可知，高速公路路面大部分區(qū)域都發(fā)生了沉降，但是沉降都不大，沉降量集中在0～2 mm之間。沉降區(qū)域變化最大的主要是在隧道下穿區(qū)域上方，沉降量基本都在4～6 mm左右，有小部分區(qū)域沉降量較大，達(dá)到了9.024 mm，但是沒(méi)有超過(guò)10 mm，在要求的30 mm的規(guī)定范圍之內(nèi)，可以繼續(xù)安全施工。

圖6 3D分析色譜圖

4 精度分析

本研究中外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)需要建站，因此采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都帶有絕對(duì)坐標(biāo)信息，不需要轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，也不需要進(jìn)行配準(zhǔn)，因此沒(méi)有配準(zhǔn)及拼接誤差。掃描精度為1.5 mm，利用Geomagic control軟件對(duì)高速公路進(jìn)行建模與分析，因此首先需要對(duì)模型的精度進(jìn)行分析，分析實(shí)驗(yàn)是導(dǎo)入同一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)兩次，將第一次的點(diǎn)云建模，與第二次導(dǎo)入的點(diǎn)云做3D分析，平均偏差為-0.008 1 mm，均方根值為1.513 5 mm，模型精度較高。將三維激光掃描獲取的沉降值與二等水準(zhǔn)沉降值對(duì)比如表2所示，兩者較差最大為2.39 mm，沉降值對(duì)比圖如圖3所示，可以看到兩者變化趨勢(shì)基本一致，且偏差較小。

表2 沉降值對(duì)比表

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用SX10全站掃描儀采集監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)高速公路的兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用天寶TRW軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，選用Geomagic control軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理獲取了監(jiān)測(cè)區(qū)沉降情況，得出如下結(jié)論：

圖7 沉降值對(duì)比圖

(1)隧道施工對(duì)公路產(chǎn)生了影響，使其公路路面大部分區(qū)域都發(fā)生了沉降，小部分區(qū)域沉降量較大，達(dá)到了9.024 mm，但是沒(méi)有超過(guò)10 mm，在要求的30 mm的規(guī)定范圍之內(nèi)，可以繼續(xù)安全施工。

(2)通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)與水準(zhǔn)測(cè)量的對(duì)比得出，使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行公路沉降監(jiān)測(cè)，突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量方式的局限性，具有非接觸、高精度、高效率的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于公路沉降監(jiān)測(cè)具有一定的可行性及應(yīng)用價(jià)值。