地面三維激光掃描工程應用綜述

慈偉主, 王 喆, 王路明, 張 亮, 曾 月, 劉艷輝

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

無論是在工程的初期建設階段，還是后期運營維護階段，測量都是極為重要的環節。在建設階段，測量是施工開展的第一步，測量的精度極大程度上決定了工程的質量。而在運營維護階段，例如橋梁和隧道的變形監測，對鐵路運輸尤其是高速鐵路運輸的安全性和舒適性是非常重要的。

高精度的全站儀出現以后，測量儀器精度達到了前所未有的高度。但全站儀仍然是離散點測量模式，其有效數據量已經越來越不能滿足現代土木工程的要求。在實際工程對海量測量數據需求的推動下，依托現代科技的發展，出現了集成多種高新技術的新型測繪儀器——三維激光掃描儀。

其中的地面三維激光掃描儀，可以實現在復雜的空間和地形中對目標物體進行快速連續掃描，獲得激光點所掃描的物體表面的三維坐標、色彩信息和反射強度——點云數據。點云數據經過專業的后處理軟件處理，可快速重構出被測物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據[1-2]。

地面三維激光掃描在諸多方面的應用研究已廣泛地展開，并取得一系列成果。文章旨在對地面三維激光掃描在工程方面的應用現狀做全面的梳理，分別闡述其在鐵路勘察設計、隧道變形監測和橋梁變形監測當前的工程應用現狀，最后提出了地面三維激光掃描在工程中的發展前景。

1 地面三維激光掃描儀原理

1.1 測量原理

地面三維激光掃描的核心原理是激光測距。它的工作過程，就是不斷重復的大量的數據采集和快速的數據后處理的過程。

該類儀器主要由激光掃描系統、激光測距系統、數字攝影系統、操作控制與儀器內部校正系統等組成。掃描目標點坐標的原理如圖1所示。其主要參數為距離S，水平角α和豎直角θ。

圖1 三維激光掃描原理

目標點P的坐標(XS,YS,ZS)的計算公式:

XS=Scosθsinα

YS=Scosθcosα

ZS=Ssinθ

(1)

1.2 點云數據的后期處理

三維激光掃描儀獲取的原始數據，必須要經過后期處理后才能使用[3],[5]。原始點云數據處理過程如圖2。

現階段已經有很多比較成熟的商業后處理軟件，使用者可根據需要選取現成的商業軟件，也可自己編程進行點云數據的后處理。

圖2 點云數據處理過程

2 三維激光掃描儀的優點

(1)數據處理量大：三維激光掃描數據采集是連續的、密集的、海量的、自動的。適合大型及復雜的工程體測量及細致物體局部細節測量。

(2)非接觸性：無需接觸物體，且光線明暗都不影響外業測量。極大減小了外部環境對測量的約束。

(3)交互性強：得到的是數字化信息，可以方便地將3D模型轉換到CAD等工程設計軟件中，直接供工程使用。

(4)高精度：目前三維激光掃描儀的測量精度可以達到毫米級，點云數據后處理得當，可以進一步提高測量結果的精確度。

正是因為這些優點，地面三維激光掃描契合了我國工程發展的需求，與鐵路工程勘察設計、橋梁工程變形監測、隧道工程變形監測等相結合，產生了大量的應用成果，極大地推動了工程建設和運營的發展。

3 三維激光掃描在工程上的應用

3.1 在地形圖測繪中的應用

在鐵路工程勘察設計初期，地形圖測繪和斷面測繪是其一項重要的組成部分。由于技術限制，目前，在鐵路工程設計勘察中，對于1∶2 000的大范圍地形圖測繪，一般采用航空攝影測量和機載激光雷達測量等技術來進行測繪。而對于橋梁工程、隧道工程等局部重要工點，通常還需要額外單獨測量數據；對于1∶500的更精細的地形圖測繪，一般采用全站儀和GPS-RTK等單點測量技術。

正線全長246.6 km的張吉懷鐵路，其線路所經的地形較為復雜、地勢險峻。如果采用傳統的全站儀實地逐一單點測量，不僅測量效率極低，耗時巨大，而且測量人員的安全也無法得到保障。為避免傳統測量方法的缺陷，文獻[11]通過采取地面三維激光掃描技術，針對地形復雜、地勢險峻的隧道工程進行測量，并繪制1∶500地形圖和斷面圖。在每個隧道口測量過程中，在保證地面三維激光掃描儀測距要求的同時，選擇地勢相對平坦的位置架設儀器，進行遠距離無接觸一站式測量。平均每個隧道口的測量外業數據采集僅耗時2 h，遠小于同類工程類似地形采用傳統測量方法的外業作業消耗時間。內業數據處理平均約耗時4 h，即得到了所需的地形圖及橫、縱斷面圖。因此， 采用地面三維激光掃描技術，在復雜地形下測量作業效率可得到極大提高，且測量人員的安全風險也得到了有效控制。同時，文獻[11]還對其測量的25個離散檢查點進行復測，復測表明，激光點云的最大高程誤差僅為0.307 m，最小高程誤差0.004 m，高程中誤差為0.119 m，可以滿足工程精度要求。同時，還發現三維激光掃描技術在樹林等植被茂密區域或高遮擋物區域的高程精度要降低，也低于旱地、巖石等裸露地表。說明在當前的技術條件下，應用三維激光掃描測量時，應盡量避免障礙物對被測物的遮擋，以保證測量的精度。

文獻[11]此次進行的工程實踐驗證了地面三維激光掃描測繪地形圖的可靠性，并充分展示了三維激光掃描在鐵路工程勘察設計中的廣闊前景，尤其是山嶺鐵路、復雜地形的勘察設計。三維激光掃描可以幫助鐵路工程師們在險峻、復雜地形中有效安全的得到各項測量數據，顯著降低外業工作的危險性和工作強度。

采用地面三維激光掃描技術測繪鐵路工程設計的地形圖和斷面圖，能夠有效的減小外業數據采集的工作強度并提高工作效率，而獲取細致的地貌特征。但是，目前尚無同時實現采集、編輯、成圖的一體化平臺，使其內業點云數據處理的工作量較大。數據處理的相關理論及后處理軟件的編制優化是該領域目前研究的重點。

3.2 隧道變形監測

我國幅員廣闊，地形復雜，城市人口密集，交通工程中不可避免會涉及到大量的隧道工程。無論是山嶺隧道、水下隧道還是城市隧道，其變形監測都是不可缺少的。變形量是評價隧道結構安全狀態的重要指標。而傳統的測量技術雖然有較高的單點測量精度，但是測量速度偏低，測點數量也相對偏少，因此無法全面的反映隧道結構的整體變形信息。而地面三維激光掃描技術則自動、高速、海量、高精度的獲取目標物體的三維坐標，從而全面的反映隧道結構的整體變形，克服傳統測量技術在速度、整體上的局限性[4],[7]，[10]。

頂管法施工的上海市西藏路電力隧道就采用了地面三維激光掃描技術來測量其變形量。隧道圖片及通過Leica C10激光掃描儀得到的點云圖像見圖3。

(a) 隧道圖片

(b) Leica C10激光掃描儀 得到的點云數據

在數據處理方面，由于地面三維激光掃描獲取的原始點云數據不能直觀地表示隧道的變形，因此對點云數據進行了曲線擬合，使隧道變形可視化。鑒于頂管法施工的隧道大都是圓截面隧道，故采用平均變形橢圓來描述隧道結構橫斷面的相對變形。具體的數據處理過程中，首先運用誤差分布統計規律將獲取的點云數據進行去噪、平滑處理，然后對每個區段的點云數據提取關鍵點，進行橢圓曲線擬合，即得到隧道變形后的形態(圖4)。將得到的隧道變形后的形態與設計圖對比，就得到了隧道變形情況。通過對比不同時間段的三維激光掃描擬合數據，排除了施工時產生的誤差[7]。隧道變形監測中應用三維激光掃描，與傳統測量方法相比，突出展現了三維激光掃描在獲取數據的數量和效率上的優勢。三維激光掃描突破了傳統測量方法中以離散點的方式獲取數據的局限，以連續曲面的形式獲取并處理數據。從而能全面反映隧道的整體變形。另外，文獻[4]通過與全站儀的精度比較試驗，如圖5，發現利用上述的隧道三維建模算法得到的變形量與全站儀的測量結果相差在2 mm以內。充分驗證了三維激光掃描在隧道變形監控領域的可靠性。

圖4 隧道相對變形分析結果

圖5 TS30全站儀和C10激光掃描儀的測點數據比較

3.3 橋梁的變形監測

我國現階段建設的高速鐵路的軌道多鋪設在連續高架橋上。橋梁的整體變形就極大的影響了列車運行的安全性及舒適性。故橋梁的變形監測是鐵路安全管理中極為重要的部分。變形監測時，與基于全站儀或GPS的傳統變形監測相比，三維激光掃描采樣點數發生質變，形成了一個三維模型數據場。這能有效避免以往變形監測方法所造成的局部性和片面性，能快速精確地反映出橋梁總體的變形趨勢和局部的變形量；且能直接生成數字化信息，為之后的數據處理和存儲提供了極大的便利。

文獻[8]對趙家壩立交某段進行了三維激光掃描測量試驗研究。為能夠精確獲取測量數據，在立交四周布設了4個控制點(圖6)。掃描儀設置在ZPJ3和ZPJ4上，標靶設置在ZPJ1和ZPJ2上，其中ZPJ1作為后視定向點，ZPJ2作為檢校點。試驗中采用了Riegl VZ1000掃描儀進行掃描。共對趙家壩立交試驗段進行了兩期掃描。

圖6 控制點位置示意

該試驗重點探討了測量橋身整體變形時點云的后處理方法，點云的后處理通過 RISCAN PRO 軟件實現。主要過程是先坐標轉化，后進行拼接。具體過程為首先導入點云數據，然后通過軟件的 Backsighting Orientation 功能對點云數據進行坐標轉換；最后運用軟件的 Multi Station Adjustment 功能對點云數據進行精細拼接。拼接后得到試驗段的整體點云數據，其拼接精度為2 mm。

通過人機交互方式剔除多余無效的點云數據之后，可以得到試驗段的點云數據(圖7)。為使建立的模型外形平順符合實際，使用軟件的“減少噪音”功能對點云進行去噪處理。雖然數據更多意味著更精細，但對于建立橋身變形后的模型而言，過多的數據不僅會消耗更多資源降低建模效率，還會因模型表面過于細碎而降低模型的可用性。所以需要對點云數據進行合理地抽稀。利用“統一采樣”功能對點云數據進行抽稀處理，得到抽稀后的點云數據(圖8)?？煽闯?，點云數據抽稀處理后物體的輪廓特征并沒有太大的變化，得到了很好的保留。再運用“封裝”功能，得到橋梁結構的三角網模型(圖9)。最后將試驗段橋面兩期模型數據導入Geomagic Qualify軟件中，對每期數據之間的變化進行提取分析(表2)。

圖7 試驗段點云數據

圖8 點云抽稀處理結果

圖9 試驗段三角網模型

表2 3D分析結果 mm

通過對比試驗段不同時期的模型數據，可發現最大偏差出現在模型的邊緣，同時兩期模型并沒有發生很大的變化，相互印證了模型數據的可靠性。

雖然三維激光掃描的單點定位精度沒有傳統測量方法高，但是其點云數據作為一種整體數據，處理數據量大，交互性出色，經過有效的后處理后，建模精度卻是很高的。三維激光掃描進行橋梁的變形監測，正是應用了這一優勢。此外，由于三維激光掃描測量的高效性，也極大縮短了因測量影響通行的時間。

4 結束語

三維激光掃描憑借其高效率、高精度、非接觸性和交互性強等優點在土木工程許多方面得到了應用，并取得了一定的成果。三維激光掃描應用的成功實踐證明，三維激光掃描應用可以更好的指導鐵路的勘察設計以及橋梁工程、隧道工程的變形監測。但是，當前工程中三維激光應用還處于初級階段，多數都屬于單點應用，不能應用于全局工程，而且三維激光掃描的應用一般局限于新建工程項目，對于舊橋舊隧道工程的應用較少，對于運營方面的應用也較少，三維激光掃描應用之路才剛剛開始。為了更好地促進三維激光掃描技術在工程中的應用，可從以下三個方面來進行進一步的研究：

(1)軟件平臺問題，目前尚無集采集、編輯、成圖一體化的處理平臺以更好更快速更高效的處理數據。因此，需要加快軟件開發以更快促進其在鐵路工程上的全面應用，提高工程效率。

(2)特殊地貌誤差源問題，鐵路工程一般是長條帶狀工程，地形起伏大、自然環境復雜。在植被茂盛、遮擋物較多的地貌，如何解決非地貌的點云數據攝入，降低特殊地貌誤差來源，避免局部數據與實際情況脫節，提高工程精度。

(3)橋梁、隧道變形監測完善體系問題，無論是三維激光掃描的變形分析理論及方法還是其變形分析結果的評價，都需要一個完善規范的理論和技術體系。