三維掃描技術(shù)應(yīng)用于大空間地鐵隧道

    此次地鐵三維掃描分析區(qū)間段為地鐵左、右兩線各 240 米長(zhǎng)度隧道結(jié)構(gòu)，其中包含 100 米站臺(tái)區(qū)間段三維掃描。

上圖：掃描區(qū)間現(xiàn)場(chǎng)圖

 

任務(wù)目的

根據(jù)施工及運(yùn)營(yíng)監(jiān)管需求以查明該區(qū)段隧道凈空變形現(xiàn)狀，同時(shí)依照點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立實(shí)體三維模型并切取橫斷面數(shù)據(jù)，為后期監(jiān)測(cè)變形提供最原始的參照數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)資料。

作業(yè)內(nèi)容

1. 通過(guò)三維激光掃描得到隧道（含車(chē)站）完整的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

2. 通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型，為后期變形比對(duì)分析提供基礎(chǔ)模型；

3. 通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)切取隧道橫斷面圖。

準(zhǔn)備工作

a 提前和甲方配合人員溝通聯(lián)系，做好安全準(zhǔn)備工作。b 勘察施工現(xiàn)場(chǎng)情況，做好掃描架站預(yù)估。

c 根據(jù)數(shù)據(jù)分析要求設(shè)置掃描參數(shù)，確保數(shù)據(jù)精確度。

    外業(yè)掃描提前對(duì)掃描區(qū)域狀況進(jìn)行踏勘，針對(duì)掃描目標(biāo)的現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)及項(xiàng)目目的要求設(shè)定掃描站點(diǎn)間距及掃描參數(shù)。此次掃描站點(diǎn)間距均勻設(shè)置 10 米每站，左右線各掃描 240 米車(chē)站及隧道區(qū)域范圍，共掃描 25 站，單站掃描分辨率設(shè)置為點(diǎn)間隔 7.67mm（10 米處），單站掃描時(shí)長(zhǎng) 3′17″， 掃描范圍為全景掃描，掃描模式設(shè)置為室內(nèi)掃描模式，開(kāi)啟掃描儀傾角儀、羅盤(pán)、高度計(jì)多個(gè)傳感器，保證掃描數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

 

上圖：掃描分辨率信息及傳感器信息

 

掃描坐標(biāo)系統(tǒng)不要求轉(zhuǎn)換大地坐標(biāo)系統(tǒng)，所以架站位置取決于單站掃描可視范圍，掃描設(shè)備自帶±5°傾斜補(bǔ)償器，掃描儀不需要精確對(duì)中整平即可進(jìn)行掃描作業(yè)。

為了保證多站數(shù)據(jù)拼接的精度，隧道掃描數(shù)據(jù)拼接采用標(biāo)準(zhǔn)參考球作為精確拼接依據(jù)，拼接精度控制在±1mm。

 上圖：掃描現(xiàn)場(chǎng)圖

數(shù)據(jù)處理

將掃描所得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入掃描儀配套軟件 SCENE 進(jìn)行拼接、過(guò)濾、導(dǎo)出等處理。導(dǎo)出掃描數(shù)據(jù)到點(diǎn)云處理軟件，利用掃描軟件的自動(dòng)拼接功能將多站無(wú)序掃描數(shù)據(jù)拼接成整體。

上圖：基于目標(biāo)的拼接方式

 

上圖：基于目標(biāo)的拼接精度控制

基于目標(biāo)的拼接方式是最精確的數(shù)據(jù)拼接方式，原理是通過(guò)兩站掃描數(shù)據(jù)之間布設(shè)的多個(gè)共同參考體作為精確拼接對(duì)象，規(guī)避掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間點(diǎn)云噪點(diǎn)、點(diǎn)云厚度和掃描精度的影響，確保掃描數(shù)據(jù)的融合精度。此次掃描平均偏差距離左線為 0.71mm，右線為 0.61mm。

 

上圖：完整拼接后多站掃描數(shù)據(jù)效果

 

數(shù)據(jù)過(guò)濾采用手動(dòng)選擇和軟件自動(dòng)篩選兩種模式進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)和噪點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)濾刪除的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，保留主體隧道數(shù)據(jù)。

 

上圖：高亮顯示部分為車(chē)站站臺(tái)部分穿透數(shù)據(jù)

  

上圖：利用軟件自帶過(guò)濾功能過(guò)濾深色掃描點(diǎn)及離群點(diǎn)

掃描數(shù)據(jù)的三維模型制作和斷面提取分別是在CAD 和 3d max 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，都是基于Autodesk 平臺(tái)軟件，所以?huà)呙钄?shù)據(jù)的導(dǎo)出以.rcp 格式為主，點(diǎn)云處理軟件可直接導(dǎo)出 Autodesk 平臺(tái)支持的.rcp 格式項(xiàng)目文件。

 

上圖：將處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體導(dǎo)出為 rcp 項(xiàng)目

上圖：將導(dǎo)出的.rcp 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 recap

將處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD 中進(jìn)行斷面截面處理，并進(jìn)行擬合和量測(cè)。

Recap 軟件中可以對(duì)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以圖片的形式做數(shù)據(jù)量測(cè)和標(biāo)記，有利于后期分析時(shí)直觀的對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特征變化進(jìn)行比對(duì)。

Recap 軟件中可以對(duì)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以圖片的形式做數(shù)據(jù)量測(cè)和標(biāo)記，有利于后期分析時(shí)

上圖：Recap 中通過(guò)影像數(shù)據(jù)做標(biāo)記和注釋

直觀的對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特征變化進(jìn)行比對(duì)。

上圖：將轉(zhuǎn)換過(guò)后的數(shù)據(jù)格式插入到cad 中進(jìn)行斷面擬合和提取

    基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型建立和斷面提取。將轉(zhuǎn)換成 rcp 格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到AutoCAD 中進(jìn)行隧道斷面的擬合和提取，同時(shí)也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到同平臺(tái)的 3dmax 中進(jìn)行三維模型建立。

 

 

上圖：在AutoCAD 中對(duì)隧道斷面進(jìn)行擬合，得出隧道斷面尺寸數(shù)據(jù)

利用點(diǎn)云切片功能將隧道斷面切取，并擬合隧道斷面。

隧道斷面截取及量測(cè)

 

將隧道掃描數(shù)據(jù)按照 10 米間隔切取斷面數(shù)據(jù)，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)景復(fù)制特性可以自由調(diào)

整斷面間距，最小間距甚至可以小到公分級(jí)別。

 

上圖：240 米監(jiān)測(cè)段等距 10 米截取一個(gè)斷面

 

上圖：斷面取樣

 

上圖：完整斷面取樣

    將轉(zhuǎn)換成rcp 格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到AutoCAD 中進(jìn)行隧道斷面的擬合和提取，同時(shí)也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到同平臺(tái)的 3dmax 中進(jìn)行三維模型建立。

 

上圖：依照點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立實(shí)體三維模型