基于三维激光扫描的电缆隧道竣工测量方法研究*

冯艳杰 郑莉

1. 深圳供电规划设计院有限公司 广东 深圳 518004；2. 武汉大学测绘学院 湖北 武汉 430000

引言

根据深圳市市政府2014年颁布的《深圳市地下管线管理办法》规定，地下管线工程施工活动完成后，建设单位应当及时组织竣工验收，报规划国土部门备案，并移交给城建档案管理机构[1]。电缆隧道作为城市发展到一定阶段对地下空间集约化利用的一种产物，在深圳市建设的越来越多，需进入隧道内进行测量，其方法不同于传统的管线探测，隧道内电缆、支架等附着设施复杂，测量难度很大，测量效率很低。

传统的电缆隧道竣工验收测量工作通常采用全站仪进行测量，隧道内作业面窄，传统的实用全站仪的测量方法效率比较差，并且也无法获取电缆隧道的全貌。三维激光扫描技术是一种非接触式的测量技术，可以克服传统测量技术的不足，能快速准确地获取大量观测点的三维空间点云坐标，进而获取更加全面的电缆隧道信息。

本文将以220kV深水甲乙线隧道竣工验收测量工作为例，对三维激光扫描技术在电缆该项目中的应用展开阐述，详细介绍电缆隧道断面测量工作与内业数据处理的整个过程，并将运用三维激光扫描技术获得的断面测量成果与全站仪测量成果进行对比，验证采用三维激光扫描技术进行电缆隧道竣工验收测量的可靠性[2]。

1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术是一项测绘数据获取技术的伟大革新，该技术具有实时、主动、使用等优点，该技术获得的原始数据是大量的、密集的离散的三维点云数据的集合。该技术使测绘数据的获取、处理和服务应用等方面都进入新的发展阶段。

三维激光扫描仪，主要包括测距和扫描两大功能系统，并集成了数字摄影、仪器内部校正等功能。三维激光扫描仪的工作原理是扫描仪对待测目标发射激光束，激光发射时间和返回时间有时间差，通过计算时间差可得出扫描仪与所测目标的距离，根据与水平方向、垂直方向的角度，计算出所测目标点位的三维坐标值，三维扫描仪自动存储并记录储存，最后使用后处理软件进行处理建模，即可得到所测目标物体的三维模型[3]。

2 三维激光扫描技术流程

2.1 外业采集

电缆隧道空间作业面非常狭窄，三维扫描仪的架设和测量工作不易开展，因此测量前需要进行现场的踏勘，确定所有测站的位置和标靶的位置，并根据隧道内现场实际情况，确定扫描的分辨率大小，本次作业采用的三维激光扫描仪是徕卡ScanStation C10，作业流程如下：

2.1.1 现场踏勘。根据电缆隧道内部的现场实际情况，首先确定仪器架设的合适位置，设计出合适的测站数量，确保能够扫描到所有需要扫描的区域，并能保证点云获取精度，隧道由于其狭长的结构，距离越远，扫描的密度越低。因此为了保证后期数据处理有足够的点云数据密度，扫描分辨率尽可能设置得高一些，并且保证测站点和前一测站的标靶要通视，以保证数据采集的精度。

2.1.2 标靶布设。在电缆隧道这种狭长通道中布设控制网也非常麻烦，并且电缆隧道壁上往往没有明显的可用于匹配的特征点，因此我们选用球形标靶作为测站之间的点云配准点。标靶的布设需满足以下条件：一是标靶不能和测站点在同一直线上，二是标靶和测站必须互相通视且距离较近，三是相邻测站间至少要有三个公共标靶。标靶布设如图1所示。

2.1.3 数据获取。激光点云数据的获取可通过操作仪器直接实现，开机后设置激光扫描仪的扫描范围、角度和分辨率，首先用低分辨率进行粗扫以确定扫描范围，然后用高分辨率对重点区域比如隧道轮廓及标靶等进行精细扫描，以获得精确的坐标，最终为后期断面提取提供精确的原始数据[4]。

2.2 内业处理

内业处理流程如下：

2.2.1 标靶坐标计算。导入前期测量成果，计算各个标靶的三维坐标。

2.2.2 点云数据拼接。运用标靶的准确坐标进行匹配，将每个测站的点云数据关联起来，归算到新的三维坐标系统之中。

2.2.3 噪音数据剔除。依据隧道断面设计数据，运用算法剔除噪音数据：电缆隧道内的螺栓孔、螺帽及电缆、支架和附着在管壁上的其他设施等[5]。

2.2.4 点云数据建模。通过三维激光扫描仪获取的数据是离散的点云数据，不能精确形象地展示电缆隧道，需要将离散的点云数据建模，生成模型来模拟电缆隧道的表面特征，建模时，首先构建三角网，再进行多边形的修补，并去除多余的特征和减少多边形数量，最后进行平滑以及轮廓线的提取和曲面拟合。如图2所示。

图2 三维建模

2.2.5 提取断面。沿隧道方向每隔10m垂直切割一个断面，曲线段每隔5m垂直切割一个断面，并得到一组模型。如图3所示。

图3 提取断面

2.2.6 提取纵断面线。纵断面测量是电缆隧道竣工验收测量的一个重要部分，隧道中心线是从提取的断面心点连接起来形成的。再以里程对应的设计线路中心为基准，查找对应位置点云的方式计算底高、顶高、顶底差以及各测点位置坐标值。如图5所示。

图5 纵断面线提取

2.2.7 成果输出：可根据实际需要，提取并量测电缆隧道点云模型任意两个指定点的几何尺寸，可提取区间指定里程的断面，并能实现施工后的数据与设计数据的对比分析。

3 成果精度分析

为了评定应用三维激光扫描技术获得的断面成果的质量，采用常规断面测量方法中普遍采用的全站仪放样线路中心点并在隧道侧壁上标点测量的方法测得的成果作为真值，对其进行检核[6]。

在220kV深水甲乙线电缆隧道竣工验收测量中，共检测了50个断面，两种方法测量的隧道底部中心位置高程检测差值在10mm内的断面比例为90%，差值在10～20mm范围内的断面比例为10%，无差值大于20mm的断面。说明三维激光扫描技术应用于电缆隧道竣工验收测量是可行的、可靠的，测量精度可以得到保证。

4 结束语

本文详细阐述了采用三维激光扫描技术进行电缆隧道竣工测量的全过程。相对于传统测量方法和数据处理方法，三维激光扫描技术不仅可以节约大量的时间成本和人工，还具有外业作业效率高和可靠性强等优点，测量的精度能够得到保证，并且在点云数据采集后可实现根据点云数据实时对断面进行加密的工作，而无须外业重复进场作业，能够完全满足电缆隧道竣工验收测量的需求。