激光扫描属于(三维激光扫描技术在铁路隧道中的应用)

Posted 2023-06-01

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激光扫描属于(三维激光扫描技术在铁路隧道中的应用)

姚天予韦征张豪俞旻韬

浙江工业大学建筑工程学院浙江省交通工程管理中心东南大学土木工程学院

摘要：目前，伴随着经济高速发展，我国铁路正在加速建设，而在铁路建设过程中，存在着一系列复杂的问题，其中最关键的一步便是如何安全、有效、便捷地控制隧道工程施工的安全性，在这个领域如何有效保证隧道衬砌施工质量满足设计规范要求等问题得到了广泛关注。为了加强铁路隧道施工安全质量管控并掌握第一手隧道施工资料，采用现今对三维数据采集最为广泛应用的三维激光扫描技术对某隧道进行扫描。

关键词：三维激光扫描;铁路隧道;监测;

1 研究背景

1.1 背景

目前，随着我国经济的不断腾飞，土木工程事业飞速发展，事关国家民生的基础设施的建设马不停蹄，交通事业作为土木工程建设中重要的一环，发展也是如火如荼。浙江省作为江浙沪三角洲经济圈的重要地区，自然也是举足轻重的交通枢纽，因此在浙江省，伴随着经济高速发展，高速铁路同时正在加速建设。而在铁路建设过程中，存在着一系列复杂的问题，其中最关键的一步便是如何安全、有效、便捷地控制隧道工程施工的安全性，在这个领域如何有效保证隧道衬砌施工质量满足设计规范要求等问题得到了广泛关注。传统方法可以相对直接、实地的获取比较基础的数据，但一方面覆盖范围不能全面，另一方面耗费比较多的人力、物力，占用过多的施工时间，而且针对隧道这种自然环境和施工条件较恶劣的工程，施工时人员的人身安全也存在一定的问题，所以在隧道等地质条件和施工环境复杂的工程，探索是否有安全、快速、有效的地质调查和检测技术与之适应。

而三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项全自动、高精度、立体扫描的高新技术。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标，得到所需的海量“点云数据”。它可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。三维扫描技术的产生，为检测提供了更加快捷、有效的方式，它具有快速性，不接触性，实时、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，可以短时间、远距离、高精度的获得扫描目标的三维坐标，进而建立隧道三维模型，从而完善对铁路隧道施工状况的监测技术。

1.2 意义

通过地面三维激光扫描技术所采集的海量点云数据，有着简单的结构且易存储、能较好地反映被测物体细节等特点，但一般情况下，现有的点云数据只会存储三维坐标、色彩信息以及激光强度值，而没有存储数据之间的拓扑关系，各点之间的空间关系未知且存在噪声，易造成后期建模困难。获取到的点云数据进行优化、建模将是三维激光扫描技术首要解决的问题，其实质就是如何将“点”变成“体”的过程，其中最突出的环节是如何将“点”变成“面”，这就需要点云的曲面重建。因此，地面三维激光扫描数据的点云的曲面重建研究具有非常大的实际意义。

目前，面临着现代测量速度不断加快，点云数据量增多，如何快速解决对海量数据的高效处理;在算法的准确性上，如何克服测量中的各种系统误差和随机误差对数据处理、建模的影响，可见点云重建研究的任务可谓是任重道远。除上述之外，目前我国众多基础建设项目逐步开展，结合各种前沿的科学技术，不断摸索性地研究适合当代工程基础建设的测绘技术，这具有学科相互交叉、相互渗透的深远意义。

2 三维激光扫描技术研究状况

三维激光扫描技术在国外已经被广泛应用，主要是在测绘领域，一开始由于三维扫描技术的全自动性及复原空间三维模型的特点，建筑的外形测量及古建筑修复中普遍被应用。该技术突破了传统的点对点采集模式，能够由一点出发采集三维的高数量、高质量数据，真是还原逼近目标的完整结构，并用于实际的工程的应用。

国外研究状况总体来说比较早，美国斯坦福大学已经在上世纪末进行了固定地面激光扫描试验并成功，并用CCD相机组成了三维激光扫描的整体系统。后来因为激光扫描技术逐渐产业化，许多公司也对三维扫描产生浓厚兴趣，瑞士徕卡公司、美国法如公司日本拓普康及天宝都先后进行了三维扫描研究开发，而且在测绘领域里大展拳脚。后面，由于器材的更新改革速度提高不少，但是数据量太大，对数据处理要求逐渐提高，后续也出现了各款数据处理软件，比如美国Geomagic软件、法如的Sence软件及后来专用于隧道的瑞士Amberg软件等。根据实际情况，后续也出现了许多对三维扫描电话云数据进行了研究开发，三维激光扫描对裂缝的检测及建筑物的整体变形监测等都是已经比较成熟的成果，这些成果都对三维扫描的发展起到了巨大的作用。

近些年国内的三维扫描技术也是飞速发展，先后实现了对林业测量的及三维模型的拟合，各大高校也获得了许多成绩，北京大学利用三维扫描采集到了目标物的纹理;武汉大学结合了数字城市体系采集了堆积测量和城市地面数据;北京建筑大学还原了故宫的表面轮廓形态;西南交通大学的团队对三维扫描模型的数据去燥处理进行了改善;另外长安大学对三维激光扫描建筑物的测量精度进行了研究等。近几年三维激光扫描逐渐应用于BIM、高铁及地铁铁路隧道等工程领域，对于隧道模型数据采集具有相当重大的意义，特别是在高铁及隧道中，已经逐渐开始使用三维激光扫描来代替部分传统测量方式，或者以此为基础进行改进，加强施工质量的管理。

3 传统隧道安全监测方法

监控量测是指在隧道施工过程中，借助各种类型的监测仪器，对围岩和支护、衬砌的施工状况进行数据采集，并对其进行量测的数据分析和观察，得出施工的效果，同时也为了保障后续的安全施工。隧道监控量测工作是隧道施工过程中一项重要的施工工序，应贯穿隧道施工全过程。

3.1 激光断面仪法

激光断面仪是一种利用激光来监测固定断面数据的方法，基于极坐标作为测量计算方法，利用激光反射原理进行目标点的观测及精密测角技术来实现对隧道净空断面的测量，一般是沿着隧道里程方向以小里程处作为起始方向，按一定角度或距离依次测量仪器旋转中心与轮廓线的矢径，以及矢径与起始方向的夹角。监测开始前，需要按照实际设计依据及测量要求，设定好测量参数，基于已有控制点的坐标进行定位，然后按照一定的间隔进行某一里程的净空断面数据测量。

3.2 全站仪监测方法

采用全站仪对隧道施工状况进行监测一般也是分为地表、拱顶和周边三块区域，而全站仪是对隧道某一里程，进行标志点的安装设定，普遍采用反射片作为点位标志点，然后利用已有的控制点对全站仪进行定位，观测目标点在施工过程中的位移。全站仪本身仪器测量精度非常高，可以达到0.01mm。而在全站仪进行观测，记录高程变化值或者坐标位移值，理论上能够达到标定参数的精度，但实际施工中对测量精度由于现场因素及操作人员相关原因，一般无法完全达到，因此存在一定的局限性。

4 三维激光扫描的原理方法介绍

4.1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描仪构成:三维激光扫描仪主要由激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑软件等组成。总的来说三维激光扫描是为了适应现代化高精度高效率而开发的。三维激光扫描仪原理:激光脉冲发射器周期地驱动激光二极管发射激光脉冲，由接收透镜接受目标表面后向反射信号，产生接收信号，利用稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数，最后由微电脑通过软件，按照算法处理原始数据，从中计算出采样点的空间距离;通过传动装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描;然后进行数据整理从而获取目标表面的点云数据。

4.2 三维激光扫描仪性能

首先，需要对三维扫描仪，针对不同的功能有各种三维激光扫描仪，各类扫描仪具备不同的特性。瑞士徕卡公司的Nova MS系列具备高精度全站三维扫描功能，但是扫描速度在千位级别;美国FARO公司生产的M70、X330系列都是现今市场上使用率较高的三维扫描仪，在精度和扫描速度上都较为适用于实际测量;而精度最高的扫描仪是德国Z+F公司生产的IMAGER 5010，扫描精度≤1mm，扫描速度为百万级别，最大扫测距离187m。各类扫描仪配置性能见下表。本文采用FARO X330扫描仪，扫描标称精度±1mm，扫描速度976000点/秒。如表1所示。

表1 主流扫描仪配置参数下载原图

4.3 隧道中三维激光扫描技术方法

(1)三维扫描仪的空间体系是建立在现有的空间坐标系上的，通过将现有坐标系经过引入扫描仪的体系中后再进行激光扫描。因此，隧道点云数据采集的第一步是选取适合的空间坐标点进行坐标匹配，本文再GPS检校后采取隧道出口的三个二级水准控制点进行坐标空间的匹配。空间坐标匹配中的第二步，通过全站仪经过过后方交会控制点后对扫描仪仪器进行定位(三维扫描仪坐标体系由两侧两个徕卡棱镜及球形标靶组成)。

(2)第二步则是进行扫描，由于扫描仪的扫描精度，每一种性能的三维激光扫描仪都具备不同的用途，为了节约扫测时间并控制精度，一般可采取每一测站前后30m进行设站，可以基本保证区段内隧道点云扫描的范围及精度。

(3)扫描得到的三维点云后，由于点云数据达到一定程度在三维模型上呈现出重复度较高，因此需要进行数据的抽取稀释，从空间到面再到线，然后通过强大的数据处理引擎进行整合，将抽稀的点云分散成不同的面，提高拼接精度。另外由于测量同时有GPS的坐标，每个点的坐标导入系统有其相对应的位置。三维激光扫描仪获取的数据量十分庞大，但其中有些点对数据分析并不起作用，甚至会起到反面效果。如果使用所有数据，就会放大误差的范围。如点云中有跃出扫描设定范围的点、不属于检测对象本身的点。这些反射光束会造成很多噪声点，这种噪声点在监测对象边缘十分明显。这些点的存在，使得结果中保留了大量的冗余数据，影响监测分析的精度和效率，因此就需要在数据分析前去除这些冗余数据。

(4)基于已经经过处理的三维点云数据，有多种方法进行三维建模，较为常见的为Geomagic、Cyclone、Sence等，隧道中Amberg应用较广，此处使用Amberg进行建模。

图1 隧道高密度点云模型下载原图

5 结论

(1)相比较传统的激光断面仪和全站仪，三维激光扫描仪所采集到的隧道信息是非常巨大的，后者能够更加全面的采集到整个隧道的施工状况，而激光断面仪是针对某些断面来进行监测，全站仪则是针对某些区域的点位进行观测，所以三维激光扫描技术更具优势。

(2)在传统的监测方法中，精度始终是一个核心问题，而三维激光扫描仪是可以达到全站仪的精度标称，具备相对较高精度水平。

(3)在以上所述的三维扫描仪所能扫描的范围基础上，在扫描速度上，三维激光扫描仪可以快速的扫测一个测站，一般根据不同性能用时可缩减至5～10分钟，采集数据的效率大幅地提高，能够及时跟进施工进度。

(4)基于三维激光扫描仪采集到的三维点云海量数据，可供后续进行数据分析，在大数据的基础上，可以实现更多的相关监测。

参考文献

[1] 师海．三维激光扫描技术在施工隧道监测中的应用研究．北京交通大学，2013．

[2] 王艋．基于地面三维激光点云数据的三维重构研究．长安大学，2016．

[3] Lu Xingchang,Liu Xianlin.Reconstruction of 3D Model Based on Laser Scanning[C]//Innovations in 3D Geo Information Systems,First International Workshop on 3D Geoinformation,7-8 August,2006,Kuala Lumpur,Malaysia.DBLP,2006．

[4] 郑德华．三维激光扫描数据处理的理论与方法．上海:同济大学，2016．

[5] 张凯．H维激光扫描数据的空间配准研究．南京:南京师范大学，2008．

[6] 柳润青．采用全站仪开展隧道监控量测工作的实践．交通世界，2018(25):104-105．

[7] 李洪建，满银，孟庆生．激光断面仪的工作原理及应用．江西建材，2019(05):31-32.

激光扫描属于(三维激光扫描技术在铁路隧道中的应用)

激光扫描属于(三维激光扫描技术在铁路隧道中的应用)

姚天予 韦征 张豪 俞旻韬

浙江工业大学建筑工程学院 浙江省交通工程管理中心 东南大学土木工程学院

1 研究背景

1.1 背景

1.2 意义

2 三维激光扫描技术研究状况

3 传统隧道安全监测方法

3.1 激光断面仪法

3.2 全站仪监测方法

4 三维激光扫描的原理方法介绍

4.1 三维激光扫描技术原理

4.2 三维激光扫描仪性能

4.3 隧道中三维激光扫描技术方法

5 结论

参考文献

姚天予韦征张豪俞旻韬

浙江工业大学建筑工程学院浙江省交通工程管理中心东南大学土木工程学院