贾晓堂

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

三维激光扫描仪测量隧洞的关键技术

贾晓堂

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

在特长引水隧洞工程测量中，如何确定三维激光扫描仪的控制点间距，保证扫描得到的隧洞轴线点点位偏差小于5 cm，是三维激光扫描测量的关键参数。美国FARO三维激光扫描仪在引水隧洞中的应用并不多见，无同类研究可借鉴。通过实验，对大量观测数据进行整合研究计算，最终确定了三维激光扫描测量的关键参数。

三维激光扫描仪；引水隧洞；拼接误差；控制点间距

1 概况

三维激光扫描是国际上快速发展的一项高新技术。随着三维激光扫描仪在地质、交通、航空航天、地震监控等领域中的实际应用，这种技术已经引起了广大工程技术人员的关注。利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，既省时又省力，这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。

某引水工程隧洞全长近100 km，洞径8 m。为了精确计算隧洞的超欠挖方量，常规方法需在隧洞内每间隔10 m左右利用全站仪进行横断面测量，需布设约100 00条横断面，工作量极大。洞内条件复杂，通视条件差，故在短时间内利用常规方法无法完成任务，由此引入三维激光扫描仪。

美国法如FARO三维激光扫描仪，以世界上最快的三维大空间激光扫描而著称，虽在很多行业中已经得到应用，但在水利工程特长隧洞中的应用并不多见。三维激光扫描仪扫描得到隧洞的点云数据，利用扫描仪后处理软件可快速建立隧洞的三维可视化模型，并得到任意间隔的横断面以及拟合出实际隧洞轴线。

FARO三维激光扫描仪在隧洞内的扫描过程相对简单。但在扫描初期，如何确定控制点间距进而保证隧洞轴线点位置偏差小于5 cm（业主提出）成为三维激光扫描的关键。由于FARO三维激光扫描仪在引水隧洞中的应用并不多见，所以无同类研究可借鉴。通过实验，对大量观测数据进行整合研究计算，最终确定了控制点间距并保证扫描得到的隧洞轴线点位置偏差小于5 cm。

2 实验方案

2.1 点位布设

在某一支洞洞口架设全站仪，选用Leica TS30全站仪（标称精度测距0.6 mm+1 ppm，测角0.5″）。获得扫描仪每站前视2个标靶点、后视2个标靶点的精确坐标，用于把扫描仪的独立坐标转化为引水隧洞工程坐标，用2个点进行坐标转换，其他点用于位置偏差计算分析。

从洞口开始，每隔60 m架设一站三维激光扫描仪对洞壁进行扫描，每站前后各架设4个标靶球，扫描范围约前后40 m，各站重叠20 m。由于现场正在施工，该段隧洞从洞口开始只能进入到洞内约200 m处，观测实验时往测观测3站(第1至3测站)，返测观测3站(第4至6测站)。详见图1。

图1 往返测示意图

图中：C1，C2为第1测站后视的2个棱镜坐标点；

C3，C4为第2测站后视的2个棱镜坐标点；

C5，C6为第3测站后视的2个棱镜坐标点；

C7，C8为第3测站前视的2个棱镜坐标点，也是第4测站后视的2个棱镜坐标点；

C9，C10为第4测站前视的2个棱镜坐标点；

C11，C12为第5测站前视的2个棱镜坐标点；

C13，C14为第6测站前视的2个棱镜坐标。

全站仪观测的棱镜中心比扫描仪的标靶球中心高出0.024 m，把全站仪得到的各点的高程减去0.024 m,最终得到表1的已知坐标。

表1 全站仪测得的已知坐标m

全站仪的标称精度较高，考虑到洞内观测条件较差，分别取测角1.0″，测距1 mm+1 ppm，则最远点的平面点位精度约为1.4 mm，可把全站仪观测得到的C1-C14作为已知点用于三维激光扫描仪的坐标转换和精度分析。

2.2 拼接误差分析

方案1：采用4个标靶点进行点云拼接，以C1和C2为已知控制点，见表2。

表2 方案1计算结果汇总m

方案2：采用4个标靶点进行点云拼接，以C13和C14为已知控制点，见表3。

方案3：采用4个标靶点进行点云拼接，以C7和C8为已知控制点。

表3 方案2计算结果汇总

表4 方案3计算结果汇总

3个方案分别选取测段的起点、中间点、终点的坐标作为已知控制点，采用4个标靶点进行点云拼接。从表2至表4的计算结果可知，按每60 m间隔作为一站进行扫描，每300 m引入一个（或一对）控制点，得到的隧洞轴线点位置偏差可以满足小于5 cm的精度要求。

3 结语

美国FARO三维激光扫描仪已广泛应用于各个领域，在工作过程中需要注意根据工程的精度要求布设控制点。控制点间距是一个关键参数，其对测量外业工作量、测量工期、成果精度都起到了决定性的作用。通过实验证明了每300 m布设一个（或一对）控制点，得到的隧洞轴线点位置偏差可以满足小于5 cm的精度要求，为即将开展三维激光扫描业务的单位或个人提供一定的数据支持。

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