三維激光掃描儀在隧道中的應用

為了獲取高精度的完整的點云數據，隧道測量工程過程中一般包括項目計劃定制、外業數據采集、內業數據處理、數據分析和質量控制。

（1）采集方案

掃描項目確定后，實施技術負責人應仔細了解工程需求，為保證技術設計的合理性并能順利實施，需確認工程現場情況和控制點情況。根據掃描對象形態、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等。

①掃描儀參數選擇,掃描儀品牌較多，激光波長、數據采樣率、最小點間距、測距精度、測距范圍等指標各有不同，參數設計應注意最佳掃描距離、每站掃描區域、分辨率等指標。

②測站布設選擇,掃描儀在掃描過程中可以設站建立與項目工程匹配的絕對坐標系統，在無特殊要求時能滿足項目需求。為了保證測站精度，需要注意現場測量控制網布設，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）獲取點云數據

掃描開始前需要做好相關準備工作，主要包括三維激光掃描儀、人員、交通、后勤保障、測量控制點布設等。針對不同設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儀器設站

設站方式一般有：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在任意位置，通過后方交會的方式實現高精度的不同測站的絕對坐標數據采集，確保獲取高質量的掃描成果。

③參數設置
當確認儀器設站成功后，啟動掃描模塊進行掃描參數的設置，主要包括測站號、掃描范圍、分辨率等相關參數設置。其中與精度相關參數設置要與項目技術設計相符，目前主流的掃描儀設置基本上都是這幾個參數設置，總體比較簡單。

④開始掃描

當確認儀器參數設置正確后，可以執行掃描操作。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，如果有問題可以暫停或者取消掃描。

當儀器掃描結束后，可以檢查掃描數據質量，不合格的需要重新掃描。如有人員走動造成局部區域遮擋或有問題區域，可以在掃描儀上進行局部點測量，保證數據的準確性完整性。為了保證后續工作順利完成，在測站上應做好觀測紀錄，主要內容包括掃描位置、有效范圍（一般取半徑50米）、掃描時間、掃描操作人、測站編號、參數設置等。

⑤換站掃描

當確認測站相關工作完成無誤后，可以將儀器般到下一測站，重復上述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的設置。

⑥數據輸出

當全部掃描完成工作后，依據數據文件大小，如果項目工程需要可在現場導出數據文件，導入SD卡/U盤，進行相關數據導出。

⑦結束掃描工作

當數據傳輸完成后，關閉儀器，整理相關部件，儀器馬達停止工作后取出電池裝箱，可以結束掃描外業工作。

（3）點云數據預處理

①項目工程采集的原始點云，在對應廠家的自帶軟件進行點云預處理格式轉換。以Collage為例，在此項目中主要進行點云數據的讀取、點云拼接以及點云預處理工作。Collage以數據庫的形式對各個掃描任務進行獨立管理，單個數據庫軟件顯示界面可加載百億級點云且不會出現卡頓的現象。在此步驟的主要工作是創建以本次掃描內容為標題的數據庫，然后將掃描的原始數據導入到Collage中。

②數據去噪及導出。

點云配準完成后，自帶真實絕對大地坐標系的海量數據。軟件對海量數據自動進行去噪處理，利用Collage對隧道數據進行優化，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據質量好、噪聲小、高精度數據。

點云預處理完成后，基于專業應用方向軟件需求，將數據進行特定的格式導出。點云常用的格式有：LAS、PTS、E57、XYZ、PCD等格式。

（4）超欠挖分析

針對不同的行業有不同專業的點云處理軟件，目前國內施工隧道行業應用的比較多的是安伯格隧道超欠挖專業軟件Amberg Tunnel。該軟件是專為隧道建設設計的、經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。配合和引導高精度測量硬件設備，高效、精準完成各個施工階段的測量作業任務，不但顯著提高了數據采集和分析的效率、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、巖土工程監測分析和隧道竣工資料存檔等方面有優秀表現，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.設計中線。依據設計單位提供的平、豎曲線，在Amberg Tunnel軟件中定義施工隧道（正洞、豎井）設計中線。在軟件里計算逐樁坐標，與設計單位提供的逐樁坐標相核對，保證設計數據的準確性。

B.施工階段。依據掃描的點云定義開挖、初支、二襯三個基本的施工階段，導入不同施工階段的設計理論斷面，并定義不同等級圍巖斷面對應的里程信息，構建隧道設計模型。

②導入預處理點云數據
經過預處理的數據，導入的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據過濾，軟件提供兩種過濾模式：

A.按照距離、里程過濾現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用方面，過遠的距離會造成精度降低，目前行業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據。

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計模型一定距離的-內部點（風管/臺車/拱架等）。

b.過濾距離理論施工階段設計模型一定距離的-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分隧道超欠挖分部情況。

（5）質量控制措施   

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，以至于開挖成型質量較差，其不僅對隧道施工的工程質量和安全進度產生重要的影響,而且會影響工程的經濟效益，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，三維掃描測量系統主要應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。

根據顯示顏色和超欠挖數據，查找超欠挖區域。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間距，可建議下循環技術交底中調整外插角和裝藥量，直至超挖量滿足要求。對于欠挖地段通知當班的施工作業人員及時處理，以免后期費工費時。