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云數(shù)據(jù)，隧道測量工程過程中一般包括項目計劃定制、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

掃描項目確定后，實施技術(shù)負責(zé)人應(yīng)仔細了解工程需求，為保證技術(shù)設(shè)計的合理性并能順利實施，需確認工程現(xiàn)場情況和控制點情況。根據(jù)掃描對象形態(tài)、空間分布、掃描精度、分辨率確認測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、最小點間距、測距精度、測距范圍等指標各有不同，參數(shù)設(shè)計應(yīng)注意最佳掃描距離、每站掃描區(qū)域、分辨率等指標。

②測站布設(shè)選擇,掃描儀在掃描過程中可以設(shè)站建立與項目工程匹配的絕對坐標系統(tǒng)，在無特殊要求時能滿足項目需求。為了保證測站精度，需要注意現(xiàn)場測量控制網(wǎng)布設(shè)，測站距離控制點過遠或控制點夾角過小等都會引起測站精度降低，從而影響整個測站點云精度。

（2）獲取點云數(shù)據(jù)

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

①儀器整平

儀器開機，整平。

②儀器設(shè)站

設(shè)站方式一般有：已知方位角、已知后視點以及后方交會等方法，可以輕松的將掃描儀架設(shè)在任意位置，通過后方交會的方式實現(xiàn)高精度的不同測站的絕對坐標數(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
當確認儀器設(shè)站成功后，啟動掃描模塊進行掃描參數(shù)的設(shè)置，主要包括測站號、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)置要與項目技術(shù)設(shè)計相符，目前主流的掃描儀設(shè)置基本上都是這幾個參數(shù)設(shè)置，總體比較簡單。

④開始掃描

當確認儀器參數(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有掃描進度顯示，完成掃描剩余的時間，如果有問題可以暫?；蛘呷∠麙呙?。

當儀器掃描結(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。如有人員走動造成局部區(qū)域遮擋或有問題區(qū)域，可以在掃描儀上進行局部點測量，保證數(shù)據(jù)的準確性完整性。為了保證后續(xù)工作順利完成，在測站上應(yīng)做好觀測紀錄，主要內(nèi)容包括掃描位置、有效范圍（一般取半徑50米）、掃描時間、掃描操作人、測站編號、參數(shù)設(shè)置等。

⑤換站掃描

當確認測站相關(guān)工作完成無誤后，可以將儀器般到下一測站，重復(fù)上述4個步驟的工作，注意與前一個測站需要相同的工程文件名稱、分辨率等特殊指標參數(shù)的設(shè)置。

⑥數(shù)據(jù)輸出

當全部掃描完成工作后，依據(jù)數(shù)據(jù)文件大小，如果項目工程需要可在現(xiàn)場導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入SD卡/U盤，進行相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

⑦結(jié)束掃描工作

當數(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）點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

①項目工程采集的原始點云，在對應(yīng)廠家的自帶軟件進行點云預(yù)處理格式轉(zhuǎn)換。以Collage為例，在此項目中主要進行點云數(shù)據(jù)的讀取、點云拼接以及點云預(yù)處理工作。Collage以數(shù)據(jù)庫的形式對各個掃描任務(wù)進行獨立管理，單個數(shù)據(jù)庫軟件顯示界面可加載百億級點云且不會出現(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。

點云配準完成后，自帶真實絕對大地坐標系的海量數(shù)據(jù)。軟件對海量數(shù)據(jù)自動進行去噪處理，利用Collage對隧道數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，將同樣位置的點云進行計算和自動過濾，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)進行特定的格式導(dǎo)出。點云常用的格式有：LAS、PTS、E57、XYZ、PCD等格式。

（4）超欠挖分析

針對不同的行業(yè)有不同專業(yè)的點云處理軟件，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)計的、經(jīng)過全球千余地下工程項目實踐檢驗的隧道綜合測量解決方案，支持各種隧道施工工法和施工階段。配合和引導(dǎo)高精度測量硬件設(shè)備，高效、精準完成各個施工階段的測量作業(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、精細化開挖方量分析、襯砌厚度分析、巖土工程監(jiān)測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，簡述隧道點云處理流程。

①建立隧道模型

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

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

②導(dǎo)入預(yù)處理點云數(shù)據(jù)
經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入的Amberg Tunnel軟件中，自動定位出測站里程信息，雙擊打開點云進行數(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，過遠的距離會造成精度降低，目前行業(yè)默認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點云進行抽稀過濾，降低采樣分辨率，從而提高處理速度。

③超欠挖分析計算

點云導(dǎo)入成功后下一步進行點云的分析處理，超欠挖分析。

a.過濾距離理論施工階段設(shè)計模型一定距離的-內(nèi)部點（風(fēng)管/臺車/拱架等）。

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

   ④3D視圖

軟件界面可以實時的顯示鼠標任意位置斷面的超欠挖信息，同時用不同的顏色區(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，但在實際施工中，部分項目對超挖、欠挖的認識不夠，以至于開挖成型質(zhì)量較差，其不僅對隧道施工的工程質(zhì)量和安全進度產(chǎn)生重要的影響,而且會影響工程的經(jīng)濟效益，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、二襯凈空驗收三個階段。

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。對于欠挖地段通知當班的施工作業(yè)人員及時處理，以免后期費工費時。