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三维扫描技术在隧道施工中的应用

作者: 艾三维软件 来源: 艾三维软件 发布日期: 2019.07.09

一、引言

我国的隧道施工技术应用广泛,包括地铁隧道、公路隧道、铁路隧道等。包含在各种复杂地质结构下修建的特长隧道、重点控制型隧道工程。然而使用传统检测方法无法满足现代化施工技术的需要,传统的隧道检测方法是利用全站仪、断面仪等进行检测,传统方法耗费大量的人力、物力,占用过多的施工时间,检测效率很低。

传统的全站仪超欠挖检测,只能单点手动测量,人员配备必须充足,例如光线不足时需要照手电、有遮挡或者轮廓面凹凸不平时激光可能测偏;隧道断面仪进行超欠挖分析时,需另配全站仪放出隧道中心线,再此基础上进行数据采集,设站一次只能得到一个断面成果。工作效率低下影响施工进度,投入成本较高,精确度不高。

随着三维激光扫描仪的出现,三维激光扫描技术以其可以连续、自动、快速地采集大量的目标物表面三维点云数据,可以进行非接触式测量等优点,逐渐受到人们的喜爱。三维激光扫描技术是为空间数据的获取提供了新的方法和手段,同时也推动了空间三维数据获取方式向着实时化、动态化、集成化、数字化和智能化的方向发展。

二、3D激光扫描设备简介

Trimble SX10影像扫描仪是美国天宝的高端设备,同时具备扫描仪和高端全站仪的功能。通过为测绘、工程和扫描专业人士提供世界上最创新的解决方案,重新定义了日常测量设备的工作能力。 Trimble SX10将改变您的工作方式,尤其是在地铁隧道中的应用优势非常明显,后期可以结合隧道专业处理软件处理扫描数据,可以以隧道设计中轴线为基准提取隧道横断面,最后结合扫描仪获得的点云数据和隧道竣工测量数据信息对比进行断面收敛分析。

Trimble SX10影像扫描仪是美国天宝的高端设备,拥有26666个/秒的点云扫描速度,同时具备扫描仪和高端全站仪的功能。为测绘、工程和扫描专业人士提供世界上最创新的解决方案,重新定义了日常测量设备的工作能力。 Trimble SX10将改变您的工作方式,尤其是在地铁隧道中的应用优势非常明显,可以结合隧道专业处理软件处理扫描数据,可以以隧道设计中轴线为基准提取隧道横断面,最后结合扫描仪获得的点云数据和隧道竣工测量数据信息对比进行断面收敛分析。

三维扫描技术在隧道施工中的应用

SX10在隧道工程外业点云采集

三、外业操作便捷

工作原理:Trimble SX10同时具备扫描仪和高端全站仪的功能,在外业测量时,通过控制点建站之后进行指定区域扫描,得到具有施工坐标的点云数据,内业不需要测站拼接和坐标转换,大大提高内外业工作效率。

目前Trimble SX10支持已知点架站、多后视建站和后方交会等多种架站方式。经测试可知在隧道中作业我们采用后方交会的方式架站,既可以保证架站精度也可以提高效率。

三维扫描技术在隧道施工中的应用

架设仪器   

 三维扫描技术在隧道施工中的应用

已知点架设棱镜    

三维扫描技术在隧道施工中的应用

后方交会架站定向残差

架站完成以后就可以根据现场情况针对特定区域,设置扫描等级进行扫描,快速得到具有施工三维坐标的点云数据 。外业现场就可以查看点云数据,防止漏扫的情况发生。

三维扫描技术在隧道施工中的应用

通过手簿实时查看点云情况

四、点云预处理

由于SX10扫描点云具有施工坐标,内业不需要拼接和坐标转换,对电脑硬件要求不高,普通笔记本即可。利用Trimble Business Center简单的编辑点云,得到纯净的点云数据如下图。

三维扫描技术在隧道施工中的应用

三维扫描技术在隧道施工中的应用


五、隧道超欠挖分析及成果报告

内业处理可以使用美国天宝搭配的TBC软件,支持点云数据导入、导出(支持LAS、PTS、TDX、JXL等点云文件格式),可支持多种第三方点云处理软件。

1、TBC软件出超欠挖报告

基于隧道中心线及隧道设计开挖轮廓线建立超欠挖参考面三维模型,如图 1(a) 所示,利用三维激光扫描数据,建立隧道开挖后现状三维模型,如图1(b) 所示; 将参考面模型和开挖后现状模型进行三维立体叠加分析,利用 Trimble Business Center软件的功能,可直观获得此段里程中任意点位超欠挖的程度,将设定断面里程点云扫描为CAD点,通过CAD点与模型做对比分析,确定出超欠挖量,如图 1(c)所示。

三维扫描技术在隧道施工中的应用

图 1(a)  

三维扫描技术在隧道施工中的应用.jpg

图 1(b)

三维扫描技术在隧道施工中的应用

图 1(c)

成果输出:根据设定的断面间隔提取断面,软件自动形成断面超欠挖分析图及报告。包括隧道竣工报告见图2(a)(红色的点为欠挖点,蓝色的点为超挖点,报告中包括设计断面面积及测量面积等隧道信息)、隧道面积和体积报告(统计设定断面的测量面积及设计面积及超欠挖体积)、隧道纵断面报告等。

三维扫描技术在隧道施工中的应用

图2(a)  断面分析及超欠挖成果输出

2、点云格式支持本土软件

SX10点云支持LAS、PTS、TDX、JXL等点云文件格式,支持多种第三方本土软件的使用。使用本土隧道断面超欠挖分析软件,利用隧道设计断面与实际扫描点云,同样可以计算出实测点云至设计断面线上断面点的最短距离,以及判断断面设计断面线的断面点是否在实测断面线的内部,并自动计算出隧道的超欠挖量。

六、对比分析

SX10影像扫描仪与常规扫描仪对比分析


SX10

常规扫描仪

外业扫描(100m)

20min(粗扫+标准扫)

20min(扫描+测量)

处理数据

3min(可以现场出点云成果)

单站时间30min(释放点云+坐标转换)

电脑硬件配置

普通笔记本

高配工作站(数据量大)

点云间距

<20cm(50m)

<30cm(50m)

辅助设备

需要使用全站仪外业测量用于坐标转换、标靶球

经测试对比分析,SX10与常规扫描仪的优势分析:

(1)外业扫描速度和常规扫描仪相当。

(2)SX10内业数据处理不需要拼接、坐标转换、释放点云,大大节省内业时间,甚至可以现场完成内业工作。

(2)内业数据处理对电脑硬件要求不高,普通电脑即可满足要求

(3)有效的扫描距离远(50m处点间距小于20cm)

(4)SX10不需要辅助设备,如标靶球、全站仪等,可以节省人力、物力,提高工作效率。

SX10影像扫描仪与常规手段对比分析

表 1 三种隧道断面测量方法特点


断面仪法

全站仪法

三维激光扫描仪

成本

低廉

较高

昂贵

工作效率

一般

较高

测量精度

一般

较高

自动化程度

较高

操作难度

较高

较高

数据信息量

较低

常见系统(仪器)

PROFILER 4000断面测量系统

Leica&Amberg TMS隧道断面测量系统

Trimble Business Center、Trimble SX10扫描仪

特性

成熟、运用广泛

成熟、运用广泛

成熟、运用较多

七、结束语

Trimble SX10全站扫描仪,一机多用,适应多种施工项目使用。全站仪方式架站,内业点云无须拼接和坐标转换,提高内业数据处理效率。扫描速度快,在同等时间内获取的点数量、断面数远远超过全站仪和断面仪,SX10与TBC及其他行业软件的完美结合,可交付多种数据成果,满足客户需求。

经过大量点的精度对比分析,Trimble SX10全站扫描仪最大偏差在毫米级别,完全满足超欠挖检测的精度要求。


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