羅喻真 楊 統(tǒng) 加 松

（1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢天測測繪科技有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)已竣工隧道內(nèi)部整體進(jìn)行掃描，利用隧道內(nèi)部點(diǎn)云進(jìn)行管片橢圓度分析、管片錯(cuò)臺(tái)測量等，既對(duì)竣工后隧道內(nèi)部三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字存檔，又便于計(jì)算和分析。因此，三維激光掃描技術(shù)成為隧道竣工測量的重要技術(shù)［1］。

目前，有很多學(xué)者對(duì)三維激光掃描技術(shù)在隧道竣工測量中的應(yīng)用進(jìn)行研究。謝雄耀等［2］利用地面三維激光掃描儀對(duì)隧道進(jìn)行掃描，用圓柱面擬合和橢圓擬合算法進(jìn)行建模，并驗(yàn)證隧道掃描精度與傳統(tǒng)全站儀的測量精度是否相當(dāng)。梅文勝等［3］將軌檢小車和三維激光掃描儀進(jìn)行結(jié)合，采用線掃描模式對(duì)隧道進(jìn)行掃描，能大大提高掃描效率。地面掃描儀和隧道掃描小車逐漸取代全站儀，成為目前隧道竣工測量的主要工具［4-6］。

移動(dòng)式激光掃描小車具有隧道掃描速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格較高，且只能在完成鋪軌的隧道中使用，具有一定的局限性［7］。利用地面三維激光掃描儀對(duì)剛貫通的隧道進(jìn)行隧道竣工測量，具有精度高、架站方式靈活的優(yōu)點(diǎn)。本研究使用徠卡P50 三維激光掃描儀，結(jié)合隧道點(diǎn)云自動(dòng)處理軟件，對(duì)武漢19 號(hào)線花山新城隧道貫通隧道的管片進(jìn)行逐環(huán)切片分析計(jì)算，對(duì)1.3 km 長的地鐵隧道進(jìn)行竣工掃描測量，效果良好。

1 徠卡P50三維激光掃描儀儀器

徠卡P50 三維激光掃描儀是一款架站式脈沖三維激光掃描儀，具有長測程、高精度的特點(diǎn)。徠卡P50 掃描儀的掃描速率每1 s 高達(dá)百萬點(diǎn)，測距精度為1.2 mm+10 ppm（270 mm 模式）、測角精度為8 s、噪聲精度為0.5 mm @50 m，特別適合對(duì)隧道內(nèi)錯(cuò)臺(tái)細(xì)部位置進(jìn)行精確量測。

利用平差后的控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)徠卡P50 掃描儀進(jìn)行設(shè)站，直接獲取具有本地坐標(biāo)系統(tǒng)的點(diǎn)云，無須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，能減少誤差，提高測量精度。徠卡P50 掃描儀還具有局部精密掃描的功能，可對(duì)靶標(biāo)、靶球進(jìn)行精細(xì)掃描，掃描分辨率最高可達(dá)0.8 mm@10 m［8］。

2 作業(yè)流程與數(shù)據(jù)處理

在隧道掃描項(xiàng)目中，三維激光掃描儀的作業(yè)流程分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云預(yù)處理和點(diǎn)云分析。其中，數(shù)據(jù)采集包括儀器設(shè)置、靶標(biāo)布設(shè)和導(dǎo)線點(diǎn)掃描，點(diǎn)云預(yù)處理包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、整體化，點(diǎn)云分析包括切片去噪、橢圓擬合、錯(cuò)臺(tái)分析和滲水探測。隧道掃描項(xiàng)目流程如圖1所示。

圖1 隧道掃描項(xiàng)目流程

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

為保證三維掃描儀的點(diǎn)云密度和精度，便于后期點(diǎn)云分析計(jì)算，間隔30 m 布設(shè)一個(gè)測站，沿隧道中線逐站向前測量。測站設(shè)施和靶標(biāo)布設(shè)如圖2所示。由于地鐵隧道內(nèi)的點(diǎn)云特征變化不顯著，自動(dòng)拼接功能不適合這種背景單一的場景，因此可采用黑白靶標(biāo)進(jìn)行拼接。每站使用4 個(gè)靶標(biāo)，測站前后各放2 個(gè)靶標(biāo)。搬站時(shí)，測站前的2 個(gè)靶標(biāo)位置不動(dòng)，將后方2 個(gè)靶標(biāo)搬到新測站前方，依次掃描。掃描角度設(shè)置為全景掃描，掃描方式設(shè)置為“僅掃描不拍照”，可節(jié)省掃描時(shí)間。分辨率選擇1.6 mm@10 m，靈敏度選擇正常。打開過濾器，過濾掉50 m以外的點(diǎn)，可降低數(shù)據(jù)冗余。

圖2 測站設(shè)施和靶標(biāo)布設(shè)

在測量過程中，為便于后期數(shù)據(jù)處理，提高靶標(biāo)測量的精度，在徠卡P50 掃描儀中選擇“靶標(biāo)定義”功能，利用圖像選靶標(biāo)位置來對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行精細(xì)掃描，并對(duì)靶標(biāo)編號(hào)進(jìn)行命名。后期用Cyclone 軟件將相鄰測站的靶標(biāo)自動(dòng)拼接在一起。掃描儀設(shè)置如圖3所示。

圖3 掃描儀設(shè)置

為了將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到施工坐標(biāo)系中，當(dāng)掃描路線經(jīng)過隧道中導(dǎo)線點(diǎn)時(shí)，利用基座在導(dǎo)線點(diǎn)上安置靶標(biāo)，測量記錄靶標(biāo)到導(dǎo)線點(diǎn)的高度。在Cyclone 軟件中導(dǎo)入導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)，z坐標(biāo)加上靶標(biāo)高度，即可將所有點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到施工坐標(biāo)系中。

2.2 點(diǎn)云預(yù)處理

掃描儀中保存的數(shù)據(jù)都是自由坐標(biāo)系中的點(diǎn)云，以掃描儀中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以任意方向?yàn)閤方向。在Cyclone 中，通過連接靶標(biāo)和導(dǎo)線點(diǎn)上的靶標(biāo)，將所有測站的點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)。

徠卡P50 掃描儀帶有傾斜傳感器，在對(duì)每個(gè)測站進(jìn)行掃描前要人工整平，并自動(dòng)傾斜改正，掃描儀點(diǎn)云坐標(biāo)系以掃描儀中心為坐標(biāo)原點(diǎn)、以垂直于大地水準(zhǔn)面向上為z軸、以任意方向?yàn)閤軸。由于所有測站的點(diǎn)云坐標(biāo)系z軸方向一致，可為后期點(diǎn)云配準(zhǔn)運(yùn)算減少一個(gè)方向的變量，從而提高拼接精度。

點(diǎn)云預(yù)處理包括點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)整體化輸出，具體操作過程如下。①導(dǎo)入數(shù)據(jù)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入徠卡點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone 中，在數(shù)據(jù)庫上右鍵選擇“inport scanstation project”。②導(dǎo)入控制點(diǎn)。將控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換成.txt 文件，然后導(dǎo)入到Cyclone 中，要注意點(diǎn)號(hào)和掃描中的靶標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)，點(diǎn)名選擇“targetID”。③拼接點(diǎn)云。右鍵導(dǎo)入點(diǎn)云文件夾，選擇“create-registration”，進(jìn)入拼接界面，選擇“add scanworld”選項(xiàng)卡，導(dǎo)入點(diǎn)云和控制點(diǎn)，把控制點(diǎn)設(shè)為主站“scanworld-home scanworld”，添加連接靶標(biāo)點(diǎn)“constraint-auto-add constraints”，點(diǎn)擊“registration-register”進(jìn)行拼接，拼接好，右鍵點(diǎn)擊“freeze registration”。④融合導(dǎo)出。把控制點(diǎn)刪除，然后點(diǎn)擊“selecte all”，再選擇“merge”，將分站點(diǎn)云處理成整體點(diǎn)云。

2.3 點(diǎn)云分析

根據(jù)《武漢軌道交通工程隧道成型測量專項(xiàng)管理辦法》要求，采用三維激光掃描法對(duì)隧道成型進(jìn)行測量。具體測量包括逐環(huán)水平收斂、環(huán)片橢圓度、錯(cuò)臺(tái)、滲漏水。

2.3.1 隧道收斂及橢圓度。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將點(diǎn)云文件和隧道設(shè)計(jì)圖CAD 輸入到隧道分析軟件中，逐環(huán)沿隧道中軸線進(jìn)行垂直切片，得到逐環(huán)管片的切片二維點(diǎn)云，將管片的二維點(diǎn)云進(jìn)行橢圓擬合，可計(jì)算出橢圓面長軸、短軸、管片半徑和橢圓度等，并逐環(huán)生成橢圓切片CAD圖，如圖4所示。

圖4 切片橢圓擬合計(jì)算水平收斂及橢圓度

2.3.2 錯(cuò)臺(tái)分析。通過軟件分析得到各管片的里程和環(huán)號(hào)，選取管片接縫處間隔為3 cm的區(qū)域進(jìn)行錯(cuò)臺(tái)分析。利用相鄰環(huán)片的斷面圖，以軌道中心為基準(zhǔn)，互相疊加后得到兩環(huán)片相對(duì)位置的變化情況，從而得到沿軌道方向的錯(cuò)臺(tái)變化。設(shè)置錯(cuò)臺(tái)閾值（10 mm），可篩選出所有錯(cuò)臺(tái)大于10 mm 的管片位置、錯(cuò)臺(tái)大小、錯(cuò)臺(tái)弧長［9］。錯(cuò)臺(tái)分析效果如圖5所示。

圖5 錯(cuò)臺(tái)分析效果

2.3.3 滲漏水分析。使用軟件分析滲水位置的過程如下。將三維點(diǎn)云變換得到二維平面點(diǎn)云，再轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度灰度圖像，根據(jù)點(diǎn)云反射強(qiáng)度灰度值的變化情況，通過二值分割法來確定滲水區(qū)域［10］。由于自動(dòng)選擇的滲水區(qū)域可能因噪聲干擾而導(dǎo)致錯(cuò)報(bào)或范圍不準(zhǔn)，要通過人工辨識(shí)來確認(rèn)滲水范圍，并得到隧道內(nèi)滲水區(qū)域統(tǒng)計(jì)情況。

3 案例應(yīng)用

根據(jù)區(qū)間設(shè)計(jì)專業(yè)的相關(guān)要求，在2022 年10月10 日到12 日，對(duì)武漢軌道交通19 號(hào)線花山車輛段出入段線右線隧道管片進(jìn)行三維激光掃描。

三維激光掃描作業(yè)的具體里程范圍為右線K11+ 710.254～K13+ 439.482，掃描作業(yè)范圍為左線全長1.3 km，共1 107 環(huán)。由于隧道剛貫通不久，軌道暫未完成鋪設(shè)，無法使用掃描小車對(duì)其進(jìn)行掃描，因此使用徠卡P50 掃描儀以架站式掃描方式來完成作業(yè)。

3.1 外業(yè)測量與內(nèi)業(yè)處理

外業(yè)工作投入2 人，一人操作掃描儀，一人布設(shè)靶標(biāo)。兩站的間隔為30 m，每站布設(shè)4 個(gè)靶標(biāo)，用于精確的拼接點(diǎn)云。共掃描40個(gè)測站，用時(shí)2 d。

3.2 點(diǎn)云預(yù)處理

在掃描完成后，將40 個(gè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)及導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入到Cyclone 軟件中進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)兩站間的靶標(biāo)，將40 個(gè)站點(diǎn)云配準(zhǔn)在施工坐標(biāo)系中，配準(zhǔn)完成后，用Cyclone 整體化軟件將點(diǎn)云處理成一個(gè)文件，并導(dǎo)出.ptx 格式的點(diǎn)云文件，如圖6 所示。點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差在2 mm內(nèi)。

圖6 Cyclone軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

3.3 點(diǎn)云分析

3.3.1 隧道收斂及橢圓度。隧道收斂的要求為水平直徑與設(shè)計(jì)直徑較差小于5 cm，研究區(qū)間為左線1 107環(huán)，其中，水平直徑與設(shè)計(jì)直徑較差在5 cm 以上（含5 cm）的共0 環(huán)，水平直徑與設(shè)計(jì)直徑差異在5 cm 以內(nèi)的共1 107 環(huán)。橢圓度在0.006 內(nèi)（含0.006）的共1 090 環(huán)，橢圓度在0.006 以外的共17環(huán)。軟件自動(dòng)生成1 107環(huán)的隧道收斂及橢圓度檢測成果表，1～6 環(huán)隧道收斂及橢圓度檢測成果見表1。

表1 隧道收斂及橢圓度檢測成果匯總（1～6環(huán)）

3.3.2 錯(cuò)臺(tái)分析。根據(jù)《武漢軌道交通工程隧道成型測量專項(xiàng)管理辦法》要求，隧道內(nèi)部環(huán)片錯(cuò)臺(tái)應(yīng)小于20 mm。平均錯(cuò)臺(tái)量統(tǒng)計(jì)如圖7所示，對(duì)所有環(huán)片錯(cuò)臺(tái)成果分析后發(fā)現(xiàn)，最大錯(cuò)臺(tái)量為18 mm，沒有超過20 mm的環(huán)片。

圖7 平均錯(cuò)臺(tái)量統(tǒng)計(jì)

3.3.3 滲漏水分析。經(jīng)軟件自動(dòng)分析和人工檢核后，發(fā)現(xiàn)滲漏水面積大于0.01 m2的滲水區(qū)域有77環(huán)。部分成果見表2。

表2 隧道滲漏水檢測成果匯總（1～7處）

4 精度對(duì)比

為確保三維掃描儀測量的成果精度，用全站儀測量該隧道所有環(huán)片的水平直徑，與三維激光掃描得到的環(huán)片水平直徑進(jìn)行差值計(jì)算，結(jié)果見表3。由表3 可知，三維激光掃描數(shù)據(jù)與全站儀測量數(shù)據(jù)的較差大部分集中在1 cm 內(nèi)，較差在3 cm 內(nèi)的數(shù)據(jù)占比為99.3%，精度滿足隧道監(jiān)測要求。

表3 三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全站儀測量數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

本研究采用徠卡P50 地面三維激光掃描儀對(duì)武漢19 號(hào)線某區(qū)間地鐵隧道進(jìn)行掃描，通過對(duì)隧道掃描的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行研究，并與全站儀測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)三維激光掃描成果的精度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法操作簡便，數(shù)據(jù)成果可靠，在竣工未鋪軌的隧道中的應(yīng)用效果良好。