三维激光扫描仪所采用的坐标系统与全站仪类似，由测角、测距及辅助系统构成，其采集获得的点云数据均涵盖了坐标、色彩以及物体反射率的信息。当三维激光扫描仪测得测站与目标点的距离为S时，每个激光脉冲包括了两个角度观测值，即横向角度观测值a与纵向角度观测值B，三维激光扫描仪内部的控制编码器会同时扫测这两个角度值。在使用三维激光扫描仪进行现场测量时，在横向扫描面内是X轴，也在横向扫描面内，但与X轴垂直的是Y轴，垂直于横向扫描面的是Z轴，如图1所示。根据下式获得的坐标:

与传统断面检测技术相比，三维激扫描测量具有以下优势：
无接触测量：采用非接触扫描的方式，无需接触被测实体表面，快速采集物体表面三维信息，便于对自然环境复杂、难以人工架设仪器的目标进行测绘；
测量效率高：激光点云采样密度高，测点信息丰富，具备传统测量手段无法比拟的高精度数字化数据采集；
劳动强度低：极大地降低数据采集工作的劳动强度，实现了数据的自动化采集。同时还降低了对检测人员的业务素质的要求，避免了像传统日常检测结果往往受人为主观因素影响，提高了结果的真实性。

2 精度分析

2.1 主要方法与流程

本次精度分析选取某隧道断面作为算例进行，利用全站仪与三维扫描仪分别针对隧道断面处7个测点进行测量与扫描，并将其监测点数据进行精度对比分析。

在现场进行三维扫描作业时，将基准点作为三维扫描仪的设站点。将仪器架设在基准点，扫描另外一基准点上的三维扫描专用标靶，进行扫描定向。此外，可根据现场实际情况采取任意架站作为补充，利用标靶拼接的方法将扫描数据进行坐标配准定位^[7]。作业前，先检查标靶扫描和配准的情况，只有标准差达到设计要求后方进行后续扫描。扫描观测结束后，对仪器是否整平、标靶是否移动等再次进行校验。若扫描过程中出现任何扰动，则需重新扫描，以确保扫描成果达到精度要求。

2.2三维扫描数据

通过数据预处理及多站数据配准^[8]，利用3个或3个以上的公共控制点坐标，通过迭代即可得最佳的待定参数估值，实现海量点云数据的匹配。拟合的特征面误差的大小很多情况下是根据操作者的经验而变化，一般误差在8mm左右，对于小变形无法满足精度要求。而标靶控制点拟合基本可以控制在5mm的允许误差范围内，一般达到2mm左右。
利用控制点坐标将点云数据进行坐标转换，并提取监测点坐标，其监测数据如表1所示：
表1 三维激光扫描仪监测成果表
Tab. 1  3D Laser scanner monitoring results

2.3高精度全站仪数据

为了验证三维激光扫描仪的监测精度，选用拓普康MS1005高精度0.5″秒级全站仪进行对比测量，将全站仪用强制对中器安置在布设的基准点上，对设站所能观测的监测点进行免棱镜测量，每个观测点两个测回，同时根据温度和大气压对结果进行修正。全站仪监测数据如表2所示
表2 全站仪监测成果表
Tab. 2  Total station monitoring results

2.4对比分析

将三维激光扫描仪扫描监测点云数据与全站仪坐标采集的监测点数据进行精度对比，其坐标差值如图4所示。

由上图可以得出，三维激光扫描仪与全站仪坐标差值绝对值最大为3mm，最小为0，可见采用三维激光扫描仪与0.5″秒全站仪的观测精度大致相当，可满足毫米级观测精度要求。

3 隧道断面检测应用

3.1工程概况

某市政隧道工程，双向六车道，隧道开挖深度最深达到23.6米，主要地层包括①-1淤泥质粉质粘土层、①填土层、②含砾粉质粘土、③粘土、④粉质粘土、⑤粉质粘土、⑥粘土夹砂砾、⑩全至强风化花岗岩。

3.2隧道病害检测

三维扫描仪所反馈的点云数据中包含色彩信息和反射强度信息。这些都是传统仪器无法获得的，隧道内三维表面影像根据反射率不同赋予相应的灰度值生成雷达影像，它们是分析隧道侧壁渗水、结构裂缝等的有力数据。
当隧道管壁上出现渗水、裂缝等异常状况时，其反射率会随之改变从而反映到图像上灰度值的变化。因此根据影像数据即可识别出隧道的渗水与裂缝。

如上图所示，在SK1+350~SK1+360的区段上可以看到，靠近里程SK1+350处分布条状黑色区域，此即为隧道结构渗水区域。通过影像数据识别渗水、裂缝等隧道管壁异常状况既快捷又直观，无需人工到现场逐一检查，节省大量人力、物力。

3.3隧道开挖轮廓与尺寸检测

根据点云模型中提取隧道结构内壁临近两点坐标差值，X轴代表隧道轴线方向，Z轴代表竖向位移方向，可以看到SK1+350处Z轴位移差值为-121mm，SK1+360处Z轴位移差值为-35mm，说明两处结构超挖均存在超挖情况。

4  结论

通过本隧道项目的实例分析，探究了其在隧道断面监测中的应用，克服传统监测手段以点或线描述隧道总体变形特征的弊端，并结合采集的点云与坐标数据，对三维激光扫描的精度进行了客观评价，结果显示相比较全站仪的测量结果，两者相差在3mm以内。
三维扫描影像图是分析隧道侧壁渗水、结构裂缝、超挖欠挖等现象的有力依据。监测成果为隧道施工提供参考并确保合理的施工措施、降低施工风险和成本，使得隧道施工技术更趋科学合理。

参考文献：

[1] 中国隧道工程学术研究综述·2015[J]. 中国公路学报, 2015, 28(5):1-65.
[2] 赵栋. 隧道监测及超前地质预报工作现状问题及对策[J]. 黑龙江交通科技, 2016, 39(2):108-109.
[3] 郭柏希. 基于三维激光扫描技术的工业厂房三维建模与应用研究[D]. 吉林建筑大学, 2016.
[4] 谢雄耀，卢晓智，田海洋，等．基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法［J］．岩石力学与工程学报，2013，32( 11) : 2214-2224．
[5] 杜荣武，翁顺，曾铁梅等．基于移动三维激光扫描的地铁隧道结构监测方法［J］．土木工程与管理学报，2020，37(1) : 139-145．
[6] 马勇．三维激光扫描技术在桥梁变形中的应用研究［J］．兰州交通大学，2017
[7] 谢雄耀，卢晓智．基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法. ［J］．测绘通报，2016，(2) : 143～144．
[8] 王令文，程效军，万程辉．基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究［J］．工程勘察，2013，(7) : 53-57．