徐 辉，姚 伟，王绍林，李长雁

　　（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051）

　　摘要：本文首先对三维激光扫描技术作了简要的介绍，然后以实例的方式对三维激光扫描技术在城市排水暗涵检测中的应用进行了探讨，表明三维激光扫描技术对暗涵功能性缺陷、结构性缺陷以及排水口的检测是切实可行的而且是高精度的，最后对该技术在地下密闭空间检测中的应用进行了展望。

　　关键词：三维激光扫描技术；城市地下排水暗涵；

1 引言

　　三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项新技术，实现了从单点测量进化到面测量的革命性技术突破，作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精准、无接触测量等优势在越来越多的领域中发挥着重要作用[1]。

　　城市地下排水暗涵主要指分布于城市地下的暗涵、暗渠、暗河等排水设施，随着城市的发展和人口的增长伴随着城市地下排水暗涵的高负荷运行，加之部分城市的地下排水暗涵维护管养不到位以及后期的排水设施改造，造成城市地下排水暗涵中存在淤积、开裂、垮塌甚至地面坍塌等功能性和结构性缺陷以及各类排水口污水排入，进而威胁城市水安全和水环境。因而对城市地下排水暗涵的检测显得尤为重要。

　　传统的检测手段是采用携带相机和普通量测工具下井进入暗涵内部进行现场定性记录和拍照，这种方法以定性为主，无法对暗涵内部存在的功能性缺陷、结构性缺陷以及排水口进行准确定位，三维激光设备的投入使用将对暗涵检测带来革命性突破。

2 三维激光扫描技术简介

　　（1）三维激光扫描技术基本原理

　　三维激光扫描技术是利用激光测距原理，水平、垂直的全自动高精度扫描，获取景物与激光仪的距离及角度关系，通过坐标解算，从而得到完整的、连续的全景点三维坐标，能在较短的时间内，高速精确地记录景物的三维空间位置及不同景物的激光反射率，这些扫描数据通过电缆传入电脑，高密度的扫描数据点有序地排列于三维的虚拟空间中，成为带有坐标的影像图，即三维点云[2]。利用三维激光全景测量成果形成三维模型，并在三维模型的基础进行检测、监测、调查等相关数据分析[3]。

　　三维激光扫描是集光、电和计算机技术于一体的高新尖技术，主要对物体的空间外形进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，其将实体的立体信息转换为数字化的可直接处理的数字信号，是对传统测量方法的革命性创新，极大提高了生产效率。

　　（2）地面三维激光扫描仪原理

　　三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接收由自然物表面反射的信号从而进行测距。针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。地面三维激光扫描仪的基本原理见图1。

　　a．地面三维激光扫描系统    b.三维激光扫描仪

　　图1  地面三维激光扫描仪

3 三维激光扫描技术的应用

　　现以广东某地暗涵三维激光扫描成果为实例，介绍此项技术的成功应用。

　　本案例工作内容：查清暗涵本体尺寸特征和排水口的探查与统计，其中排水口的探查与统计信息包括了排水口的空间位置、管底标高、直径、材质、实测时是否有污水等信息。

　　 暗涵内部无光照，处于全黑环境；水深普遍随潮位变化，水流较缓，涵内有刺激性气味，潜水员需穿戴专业潜水装备进行作业，见图3-1。

　　本项目采用的三维激光扫描仪，设备示意图见图3-2，其主要技术参数如下：

　　（1）测距范围：0.6-330m (激光载波相移测量原理)；

　　（2）测距精度在25米内、反射率仅为10%时仍优于±2mm；

　　（3）测量速度：978000点/小时，测量速度为3倍隧道直径长度/站（10分钟）；5.5m直径隧道可实现100m/小时的扫描速度；

　　（4）高分辨率大屏幕液晶显示屏，直接操作进行数据采集，无需外置电脑；

　　（5）设备无需整平，扫描仪设站时间小于1分钟、典型扫描时间4分钟/站；

　　（6）单人即可操作和搬运，主机设备重量仅5kg（含电池）；

　　（7）单个电池可连续供电5小时，电池可更换；

　　（8）内置64G数据存储卡，可存储1500站数据、支持WLAN远程操作；

　　（9）尺寸：240mm×200mm×100mm。

　　图3-1    潜水员在暗涵内作业方式示意图

　　图3-2    设备示意图

　　（1）暗涵本体尺寸特征

　　通过采用三维激光扫描完成暗涵全覆盖三维数字信息采集，形成暗涵本体尺寸特征统计成果，见表3-1，暗涵本体尺寸特征见图3-3至图3-4。

　　表3-1   暗涵本体尺寸特征统计表

　　图3-3    暗涵截面典型示意图

　　图3-4    暗涵平面展布示图

　　（3）暗涵排水口统计情况

　　通过采用三维激光扫描完成暗涵全覆盖三维数字信息采集，共发现暗涵排水口95个，其中，涵左侧排水口62个，涵右排水口33个，初步判断95个均为污水口，排水口统计见表3-2，典型效果图见图3-5，排水口空间分布图见图3-6。

　　表3-2  暗涵排水口统计情况表（部分示例）

　　图3-5    典型效果图

　　图3-6    暗涵排水口空间分布示意图

4 结语

　　三维激光扫描技术在区别于以往传统作业手段，最大的优势在于大大提高了暗涵的检测精度，把传统作业方式的米级或亚米级精度直接提高至厘米级，而且在同样作业周期内提供的信息量较传统作业方式剧增。该技术在城市排水暗涵检测中已经过了工程实践的成功应用，为水环境治理工作提供了重要基础数据，也为后期暗涵运维工作提供强大技术支撑。

参考文献

　　[1]董秀军. 三维激光扫描技术及其工程应用研究[D].成都理工大学,2007.

　　[2]赵阳，余新晓，信忠保，范敏锐，吴海龙. 地面三维激光扫描技术在林业中的应用与展望[J]. 世界林业研究,2010,04:41-45.

　　[3]马利，谢孔振，白文斌，白建军.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用[J].北京测绘,2011,02:48-51.

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　　作者简介：徐辉（1985.10-），男，湖北孝感人，高级工程师，主要从事工程物探和工程检测等相关工作