1、引言
手持三维激光扫描技术在近几年发展迅速，在工程测量施工领域，主要用于原地面测量、结构物竣工测量。本文以某市政道路项目的明挖隧道工程为例，阐述手持三维激光扫描相在明挖隧道断面测量中的具体应用，并对该技术手段相对于传统断面测量手段进行相关的效率及精度对比。得出该方法可作为一种新的高效测量手段，为工程建设提质创效。
2、手持三维激光扫描仪系统简介
手持三维激光扫描是近几年发展起来的一种新型测量设备，其生产的成果为点云数据，具有测程长，点云密度大，作业效率高，仪器轻便，操作简单，应对作业场景丰富等特点。该设备主要包括三个部分，激光扫描传感器系统，内部控制系统，供电底座系统。
2.1手持三维扫描仪工作原理
激光传感器使用激光测距仪获取距离信息，使用光栅码盘或者固定角度获取
角度信息，即可以形成每个激光点位的极坐标，进而求出其三维坐标。
测距原理：采用 “TOF”，飞行时间法，即通过计算激光发出到测量物体反射后回到激光器内所测量的激光的飞行时间，乘以光的速度除以 2 计算得到。
测角原理：常用的旋转式激光雷达通常被称之为半固态半机械激光雷达，即垂直角度是固定不变，水平角度是通过电机机械转动改变的。
3、手持三维激光扫描仪测量作业流程
采用手持三维激光扫描仪开展断面扫描主要分为两个部分：外业数据获取和内页数据处理。
3.1外业数据获取流程
手持三维激光扫描仪的外业数据获取流程与传统的固定式三维激光扫描作业流程类似。包括：踏勘测区作业范围→确定测量移动线路→沿途布设控制点→开展三维扫描作业。
3.2内页数据处理流程
外业数据采集流程结束后，将数据导入飞马点云重构处理软件Slam GO Post Pro，进行相关的处理。包括：原始数据导入软件→点云建图、重定向、去噪、优化→点云模型裁剪、精度评定→利用点云成果绘制断面。
4、项目应用实例
4.1项目应用概况
凤亭大道工程项目位于广州市南沙区，道路等级为景观性城市主干路，包括隧道工程、桥梁工程、道路工程、及其他专业工程等。
凤亭隧道起终点桩号K3+245～K3+844，总长599m，采用明挖顺作法施工。基坑围护结构采用放坡支护、钢板桩支护、灌注桩+内支撑+坑内加固的支护方案， 隧道结构宽度27.2m～29.5m。
由于施工过程中地质条件差，支撑灌注桩桩身支撑面存在侵入侧墙施工的风险，可能导致后续侧墙施工结构厚度不足，因此必须在防水层施工前，对支撑桩断面进行全面测量，提前做好相应的凿除处理。该隧道施工现场由于支撑密集，传统的全站仪断面测量或者架站式三维扫描均存在遮挡严重、设站条件不良的障碍，而利用手持三维激光扫描仪的优势，可以克服以上困难。
4.2隧道点云数据采集
4.2.1作业区域划分
扫描分为两个作业区，测段1为K3+245-K3+544,测段2为K3+544-K384。其中，里程段1埋深较浅，大部分侧墙已经施工完成，里程段2的埋深更深，灌注桩帷幕支撑尚未拆除，是本次三维扫描作业的重点。
图2：作业分区
4.2.2测量路线与控制点
在划分好的作业区后，需要确定三维扫描测量的移动路线，确保建模过程能否顺利完成各个建模步骤，建模结果满足精度要求。
本次制定的路线为，从该隧道的两段的敞口段下坡处，作为两次作业的起点和终点，随后从隧道线路左侧开始，往隧道中心里程划分处前进，在作业划分里程处掉头，随后从隧道右侧往隧道出口走出，过程中每个控制点按照顺序采集，在终点处结束线路。
图3：测量线路及控制点
4.2.3控制点导线测量
与传统测量类似，手持三维激光扫描成果精度依赖于作业过程中控制点精度和点位分布情况，控制点的精度一定程度直接决定了建模后模型的整体精度，本案采用城市一级导线测量方法，获取控制点坐标。
4.2.4三维扫描作业要点
（1）开机时，要检查设备内存是否满足作业需求，如果遇到内存不足，需删除既有作业数据，防止新作业进行过程中因内存不足而自动退出。
（2）如遇到固件更新和软件更新提示，一般需更新至最新状态。
（3）开机后检查指示灯，三维激光扫描仪转轴系统是否正常，激光雷达外壳是否有覆盖物或落灰情况，若有，需清理后再作业。
（4）开机后，扫描仪开始60s初始化定位时，需朝向地物特征明显的方向，且该方向没有移动物体，随后缓慢拿起扫描仪，按照既定路线测量。
（5）测量过程中，尽量避免扫描仪测量区域有移动物体，走动时，避免突然加速或减速，更加不要进行跳跃，保持移动过程尽可能速度均匀变化。
（6）在测量断面由开阔空间进入狭窄空间时，应当注意在收窄处适当停留或降低移动速度，保证点云特征匹配时不出现断层而建模飘飞。
（7）三维扫描路线结束时的移动轨迹，要与开始路径形成一个闭环，这样能较好地提高建模精度。
4.3隧道点云内页处理
手持三维激光扫描作业的另一个重要环节，就是点云的内页处理。本次作业使用的扫描仪配套Slam GO Post Pro软件，可以对点云数据进行快速建模处理。
4.3.1点云建模及优化
在处理之前，需要对项目相关处理参数进行设置，确保能够得到精度可靠的处理结果。
（1）项目设置
新建工程项目时，主要设置内容包括，项目名称、项目路径、采集设备型号、设备平台，以及需要处理的数据对应的原始文件路径。
（2）录入控制点对
进入项目后，需要对之前设置的5个控制点进行录入，形成相应的控制点对，用于整个模型的精度收敛与坐标系校正。
（3）设置处理参数并建模
点击软件“一键处理”后，在处理参数的设置框中，设置好采集稳定度、收尾同点、点云赋色等相关处理参数后，软件自动处理点云模型。
图4：点云原始模型
（4）模型裁剪
在软件完成模型建模后，可以将模型转换成标准格式，在LIDAR360软件或者智点云模块上进行点云裁切、点云去噪、点云合并等操作。把不需要的点云数据去除，方便后续开展断面提取时，提高断面成果精度。
图5：点云处理成果模型
4.3.2点云模型精度评定
在完成全部建模及优化工作后，点云模型用于断面生产前，必须验证点云模型的精度，包括模型的相对精度和绝对精度。
（1）精度评定报告
图6：点云模型精度报告
本次建模各控制点内符合精度均在1cm以内，满足断面测量精度要求。
（2）模型特征点选取及实测
其次，可以通过在模型上选取清晰的模型特征点，测量模型的特征点位的实际坐标，将模型测量坐标与实地测量坐标进行对比，从而确认模型的精度。
图7：模型特征点选取 图8：特征点精度验证
（3）精度评定
通过软件精度评定报告与模型特征点实测验证，隧道基坑三维点云模型尺寸相对精度小于1cm,绝对精度平面坐标小于1.5cm,高程小于2cm,满足施工断面测量精度要求，三维扫描点云模型可以用于断面生成。
4.3.3点云模型断面生成及应用
在模型优化完成且确定模型精度满足要求后，开始最后一个点云应用的步骤，点云断面提取。本案建议采用南方测绘的Southmap软件自动生成断面图，过程中可以手动操作对断面及断面特征点进行适当增删操作，结果可以导出hdm格式横断面文件。将断面偏距小于侧墙结构设计偏距的点位直接筛选出来，作为本隧道工程支护桩结构侵入侧墙结构的点，对相应的断面进行凿除处理。
（1）断面提取过程
图9：模型断面线生成 图10：断面点提取
（2）断面文件成果
图11：断面成果
5、结束语
本文通过手持三维激光扫描仪在明挖隧道基坑断面测量中的应用，表明手持三维激光扫描仪具有足够的测量精度，能够满足相关测量工作需求，相比传统断面测量具有测量效率更高、测量细节更全面、测量手段更轻松的优点。
同时，手持三维激光扫描仪也存在不足，比如手持三维扫描仪在测量绝对坐标系时，必须先设置像控点，测量路线必须设置闭环、路线总长不能过长、测量过程不能有过多移动物体、测量应用学习成本较高、应对光滑薄弱纹理场景易发生建模飘飞等问题。
在基坑、峡谷、溶洞等需要重复设站的区域，利用其超百米的免接触射程，在地貌构建、库容计算方面有独特的优势。结合手持三维扫描仪的多平台搭载功能，让其应用场景能够更加丰富。比如背包RTK平台，可以在卫星信号良好的地方开展免控制点应用，比如路基土石方测量、施工收方、原地面测量；结合无人机平台，可以在山地等无人区开展空中三维扫描作业，较行走测量效率大幅提升。
总体而言，手持三维激光扫描仪定会在工程测量行业有着广阔的应用前景。
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