三維雷射掃描儀

       三維雷射掃描技術又被稱為實景複製技術，是測繪領域繼GPS技術之後的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維雷射掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點雲數據，可以用於建立高精度高解析度的地形、建築物、構築物數字模型。

三維雷射掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現的一項高新技術，是繼GPS空間定位系統之後又一項測繪技術新突破。它具有三維測量和快速掃描兩項基本功能，通過高速雷射掃描測量的方法，大面積高解析度地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢，可以快速、大量的採集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。三維雷射掃描儀具有快速性、不接觸性、實時、動態、主動性、高密度、高精度，數位化、自動化等特性。三維雷射掃描系統主要有三維雷射掃描儀、計算機、電源供電系統、支架及配套軟體構成。三維雷射掃描儀作為系統的主要組成部分之一，又由雷射發射器、接收器、時間計數器、馬達控制可旋轉的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD相機以及軟體等組成。雷射測距技術是三維雷射掃描儀的主要技術之一，雷射測距的原理主要是基於脈衝測距法、相位測距法、雷射三角法、脈衝-相位式四種類型。目前測繪領域所使用的三維雷射掃描儀主要是脈衝測距法和相位測距法。三維雷射掃描儀主要由測距系統和測角系統以及其他的輔助系統構成，如內置相機以及雙軸補償器等。工作原理是通過測距系統獲取掃描儀到待測物體的距離，通過測角系統獲取掃描儀至待測物體的水平角和豎直角，進而計算出待測物體的三維坐標信息。在掃描的過程中利用本身垂直和水平馬達等傳動裝置完成對物體的全方位掃描，這樣連續對空間以一定的取樣密度進行掃描測量，就能得到被測目標物體密集的三維彩色散點數據，成為點雲。
  三維雷射掃描儀具有實時三維坐標獲取能力，與傳統測量全站儀、GPS所測數據不同，在逐步數位化的今天，三維已經逐漸的代替二維，因為其直觀是二維無法表示的，三維雷射掃描儀每次測量的數據不僅包含X,Y,Z點的信息，還包括R,G,B顏色信息、物體反色率等信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦裡真實再現的感覺，是一般測量手段無法做到的。

  三維雷射掃描儀可以實時獲取高密度大量點雲數據，具有快速、實時、非接觸等優點。在常規測量手段裡，每一點的測量費時都在2-5秒，該測量速度較慢，已經不能滿足需求，目前新一代三維雷射掃描儀最大速度已經達到1,000,000點/秒，這是三維雷射掃描儀對物體詳細描述的基本保證，古建築物，工廠管道，隧道，地形等複雜的領域無法測量已經成為過去式。三維雷射掃描儀已經成功的在文物保護、城市建築測量、地形測繪、採礦業、變形監測、工廠、大型結構、管道設計、飛機船舶製造、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建等領域裡得到廣泛應用。  基礎設施的測量手段正從傳統的單點測量方式向雷射掃描方式過渡，三維雷射掃描儀集高效率和高性能於一身，測量級的精度，一體化的數據處理流程，提供完整的三維雷射掃描解決方案。   三維雷射掃描儀可快速獲取豐富點雲數據和高清晰圖像，數據可無縫導入到專業設計軟體中進行建模、設計、製圖和檢測，有些專用後處理軟體可利用點雲進行逆向建模，快速進行工廠數位化。   對於建築施工、安裝、裝修和竣工驗收，三維雷射掃描儀可貫穿於整個建築的生命周期，記錄和控制建設各個環節，利用後處理軟體可無縫結合 BIM，無需在施工現場即可跟蹤了解項目情況，確保工程質量，從而避免了重複勞動的成本花費以及工期的延誤。  為了獲取高精度的完整的點雲數據，工程過程中一般包括項目計劃定製、外業數據採集、內業數據處理、數據分析和質量控制。  掃描項目確定後，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並能順利實施，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、解析度確認測站位置和掃描儀參數等。 ①掃描儀參數選擇,掃描儀品牌較多，雷射波長、數據採樣率、最小點間距、測距精度、測距範圍等指標各有不同，參數設計應注意最佳掃描距離、每站掃描區域、解析度等指標。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雲精度。  掃描開始前需要做好相關準備工作，主要包括儀器、人員、交通、後勤保障、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：設站方式一般有：已知方位角、已知後視點以及後方交會等方法，可以輕鬆的將掃描儀架設在任意位置，通過後方交會的方式實現高精度的不同測站的絕對坐標數據採集，確保獲取高質量的掃描成果。當確認儀器設站成功後，啟動掃描模塊進行掃描參數的設置，主要包括測站號、掃描範圍、解析度等相關參數設置。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。

當確認儀器參數設置正確後，可以執行掃描操作。儀器在掃描過程中會有掃描進度顯示，完成掃描剩餘的時間，如果有問題可以暫停或者取消掃描。當儀器掃描結束後，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。為了保證後續工作順利完成，在測站上應做好觀測紀錄，主要內容包括掃描位置、有效範圍（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。當確認測站相關工作完成無誤後，可以將儀器般到下一測站，重複上述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、解析度等特殊指標參數的設置。當全部掃描完成工作後，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。當數據傳輸完成後，關閉儀器，整理相關部件，儀器馬達停止工作後取出電池裝箱，可以結束掃描外業工作。

         （3）點雲數據預處理

①項目工程採集的原始點雲，在對應廠家的自帶軟體進行點雲預處理格式轉換。以Collage為例，在此項目中主要進行點雲數據的讀取、點雲拼接以及點雲預處理工作。Collage以資料庫的形式對各個掃描任務進行獨立管理，單個資料庫軟體顯示界面可加載百億級點雲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資料庫，然後將掃描的原始數據導入到Collage中。

點雲配準完成後，自帶真實絕對大地坐標系的海量數據。軟體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，將同樣位置的點雲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。點雲預處理完成後，基於專業應用方向軟體需求，將數據進行特定的格式導出。點雲常用的格式有：LAS、PTS、E57、XYZ、PCD等格式。  針對不同的行業有不同專業的點雲處理軟體，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體Amberg Tunnel。該軟體是專為隧道建設設計的、經過全球千餘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體設備，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採集和分析的效率、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，簡述隧道點雲處理流程。A.設計中線。依據設計單位提供的平、豎曲線，在Amberg Tunnel軟體中定義施工隧道（正洞、豎井）設計中線。在軟體裡計算逐樁坐標，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。依據掃描的點雲定義開挖、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，並定義不同等級圍巖斷面對應的裡程信息，構建隧道設計模型。

經過預處理的數據，導入的Amberg Tunnel軟體中，自動定位出測站裡程信息，雙擊打開點雲進行數據過濾，軟體提供兩種過濾模式：現在三維雷射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於40米，軟體提供按照距離半徑、按照隧道裡程一鍵式過濾冗餘數據。

按照固定的解析度對點雲進行抽稀過濾，降低採樣解析度，從而提高處理速度。點雲導入成功後下一步進行點雲的分析處理，超欠挖分析。★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）。★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，單站有效裡程長度80米，配備專業電腦，超欠挖分析計算時間5分鐘。 

          ④3D視圖

軟體界面可以實時的顯示滑鼠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。   在隧道鑽爆法施工中，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，以至於開挖成型質量較差，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。

        隧道施工源於成本控制，三維掃描測量系統主要應用於開挖超欠挖控制、初噴方量控制、初噴不平整度控制、二襯淨空驗收三個階段。

       根據顯示顏色和超欠挖數據，查找超欠挖區域。對於超挖地段，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。對於欠挖地段通知當班的施工作業人員及時處理，以免後期費工費時。

擬稿：邢庭松、楊翻 

校核：杜志剛   

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