中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
一切建(構(gòu))筑物、設(shè)備，均不得侵入鐵路建筑限界。因此，在鐵路工程建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期進(jìn)行鐵路限界檢測(cè)都是一項(xiàng)重要工作，尤其是隧道工程。
徠卡新推出的高精度MS50全站掃描儀可以快速高效地獲取反映隧道現(xiàn)狀的密集點(diǎn)云，為限界檢測(cè)提供了一個(gè)全新的技術(shù)手段。本文擬結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，系統(tǒng)研究檢測(cè)方法及其數(shù)據(jù)處理過(guò)程，并運(yùn)用VC++語(yǔ)言，結(jié)合MFC框架、PCL庫(kù)、VTK庫(kù)等編制通用數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)限界檢測(cè)功能。
一、MS50全站掃描儀技術(shù)優(yōu)勢(shì)
１. MS50與三維激光掃描儀的區(qū)別
常見(jiàn)的三維激光掃描儀常采用以儀器中心為原點(diǎn)的任意三維空間直角坐標(biāo)系，它是通過(guò)測(cè)量?jī)x器中心至目標(biāo)點(diǎn)的斜距，再結(jié)合儀器水平和垂直旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算出測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。
MS50全站掃描儀提供了一個(gè)功能全面的解決方案，集成了高精度全站儀技術(shù)和高速三維掃描技術(shù)。它直接采用大地測(cè)量三維空間直角坐標(biāo)系。
這一根本性的變化使得測(cè)量外業(yè)更簡(jiǎn)單，成果更真實(shí)。如使用普通三維激光掃描儀必須在測(cè)站之間布設(shè)拼接靶球或人工標(biāo)志，測(cè)站拼接將帶來(lái)精度損失。在筆者的工作實(shí)踐中也曾發(fā)生過(guò)因拼接位置設(shè)置不合理導(dǎo)致最終失敗的案例。而徠卡MS50全站掃描儀解決了這個(gè)問(wèn)題，完成設(shè)站和定向后即可開(kāi)始掃描，各測(cè)站基準(zhǔn)統(tǒng)一，檢測(cè)點(diǎn)云無(wú)需拼接，測(cè)量坐標(biāo)真實(shí)可靠。
２. MS50適應(yīng)隧道工程檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)
隧道施工以施工控制網(wǎng)為基準(zhǔn)開(kāi)展各項(xiàng)工作，施工控制網(wǎng)包括平面坐標(biāo)和高程。一般鐵路工程隧道洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)間距約200m，隧道中線樁約100m。
普通三維激光掃描儀受自身測(cè)程和精度限制，若不加密控制網(wǎng)難以快速開(kāi)展工作，而MS50全站掃描儀采用源自航天的WFD激光測(cè)距技術(shù)，測(cè)程長(zhǎng)達(dá)2000m，測(cè)量精度在100m處高達(dá)0.8mm。
MS50按全站儀方式設(shè)站和掃描，有利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員熟練使用，采用后方交會(huì)方式一步完成三維設(shè)站，工作方式以施工控制網(wǎng)為基準(zhǔn)，完全適應(yīng)線性隧道工程測(cè)量任務(wù)，精度無(wú)損失。
３. MS50掃描測(cè)量方法
三維激光掃描儀一般按等角間隔進(jìn)行掃描，因此距離掃描儀越遠(yuǎn)點(diǎn)位密度越小。為保證隧道檢測(cè)點(diǎn)云分布均勻，測(cè)量時(shí)采用對(duì)向掃描方式(如圖１所示)。
二、數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)
1. PCL點(diǎn)云庫(kù)
PCL（Point Cloud Library）完全是一個(gè)的模塊化的現(xiàn)代C++模板庫(kù)。其基于以下第三方庫(kù)：Boost、Eigen、FLANN、VTK、CUDA、OpenNI、Qhull，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云相關(guān)的獲取、濾波、分割、配準(zhǔn)、檢索、特征提取、識(shí)別、追蹤、曲面重建、可視化等。
PCL采用BSD授權(quán)方式，可以免費(fèi)進(jìn)行商業(yè)和學(xué)術(shù)應(yīng)用，有利于科研人員進(jìn)行學(xué)術(shù)研究。但是在國(guó)內(nèi)應(yīng)用PCL的人還不多，同時(shí)PCL庫(kù)構(gòu)架又十分復(fù)雜，初學(xué)者或開(kāi)發(fā)研究往往需要參閱大量文獻(xiàn)。
2. 處理流程
導(dǎo)入點(diǎn)云->格式轉(zhuǎn)換->設(shè)置參數(shù)->斷面提取->限界分析->輸出成果。
3. 格式轉(zhuǎn)換
徠卡MS50測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入廠家Infinity軟件中查看，導(dǎo)出PTS格式后提取前三個(gè)字段（即ENH）形成PCD文件。
4.坐標(biāo)系定義
通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析隧道限界涉及到不同三維空間直角坐標(biāo)系定義及其轉(zhuǎn)換關(guān)系，現(xiàn)明確如下：
1）MS50全站掃描儀采用左手坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱測(cè)量坐標(biāo)系），點(diǎn)位坐標(biāo)表示為N/E/H。PCL庫(kù)采用右手坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱數(shù)學(xué)坐標(biāo)系），點(diǎn)位坐標(biāo)表示為X/Y/Z。對(duì)應(yīng)關(guān)系：N=Y、E=X、H=Z。
2）隧道限界分析時(shí)采用右手坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱數(shù)學(xué)坐標(biāo)系），以左線中心內(nèi)軌面為原點(diǎn)，橫軸指向右側(cè)（X軸），豎軸向上（Z軸），Y軸指向大里程方向。
5.斷面提取算法
PCL v1.6庫(kù)原生clipper()平面截取函數(shù)存在錯(cuò)誤，改造后實(shí)現(xiàn)了通過(guò)兩次平面截取來(lái)提取斷面點(diǎn)云的功能（兩平面之間距離稱為斷面厚度[3]）。
平面方程采用A·X + B·Y + C·Z + D = 0表達(dá)式，其系數(shù)組成法向量表示平面空間狀態(tài)。二次平面截取過(guò)程分析：第一次平面截取將點(diǎn)云分成去除和留下兩部分，在留下的點(diǎn)云中進(jìn)行第二次平面截取，提取出的斷面點(diǎn)云先平移再旋轉(zhuǎn)，然后才能在二維平面限界分析。關(guān)鍵代碼如下：
// 斷面提取
Eigen::Vector4f vL,vR;
double dCK = LeftLine.ConK( dkCal );
double dKL = dCK - dRange - dSeg;
double dKR = dCK + dRange + dSeg;
oPt = LeftLine.GetV_XYZ( dKL );
vL <<oPt.A,oPt.B,oPt.C,oPt.D;
oPt = LeftLine.GetV_XYZ( dKR );
vR <<oPt.A,oPt.B,oPt.C,oPt.D;
ts::CrsClipper3D<pcl::PointXYZ>clipper(vL);
clipper.setPlaneParameters (vR);
// 平面投影
pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>cld_proj;
pcl::ProjectInliers<pcl::PointXYZ>proj;
proj.setModelType(pcl::SACMODEL_PLANE);
proj.setInputCloud(cld.makeShared());
proj.setModelpTo( plane2d );
proj.filter( cld_proj );
// 點(diǎn)云平移
float R1 = 0;
pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>cld_T;
Eigen::Affine3f T =Affine3f::Identity();
T.translation()<<-O.Y,-O.X,-O.H;
T.rotate(AngleAxisf(R1,Vector3f::UnitZ()));
pcl::transformPointCloud(cld_proj,cld_T, T);
// 點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)
float R2 = 2 * M_PI - O.dA + M_PI / 2;
Eigen::Affine3f R =Affine3f::Identity();
R.translation() << 0, 0, 0;
R.rotate(AngleAxisf(R2,Vector3f::UnitZ()));
pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>cld_R;
pcl::TformPointCloud(cld_T, cld_R, R);
６. 限界分析算法
鐵路隧道限界測(cè)量是絕對(duì)位置測(cè)量，必須以施工控制網(wǎng)和隧道設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。參數(shù)包括:斷鏈表、曲線表、坡度表、豎曲線表、線間距表、隧道斷
面尺寸、類型及其分布里程、隧道限界輪廓等。
限界分析就是要計(jì)算出檢測(cè)點(diǎn)到限界的最小距離?；舅悸肥?先計(jì)算限界中心至檢測(cè)點(diǎn)方位，初步判定對(duì)應(yīng)限界邊，若能確定投影坐標(biāo)則兩點(diǎn)距離差即為檢測(cè)偏差，否則向相鄰邊界擴(kuò)展，仍不能確定投影坐標(biāo)時(shí)則取邊界角點(diǎn)為投影點(diǎn)計(jì)算偏差。
三、工程應(yīng)用案例
渝黔鐵路擴(kuò)能改造工程作為中國(guó)“十二五”綜合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)雙線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速200km/h。隧道建筑限界執(zhí)行«鐵路技術(shù)管理規(guī)程»KH-200客貨共線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
«鐵路技術(shù)管理規(guī)程»規(guī)定的隧道限界均按照單線直線段定義，在曲線段應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行加寬，在雙線時(shí)還應(yīng)考慮線間距。
應(yīng)用本文方法共檢測(cè)隧道15座，總長(zhǎng)度超過(guò)10km，按每1ｍ 一個(gè)斷面進(jìn)行分析(斷面厚度為5cm)。斷面透視效果如圖２所示，某斷面限界分析如圖3所示。
四、結(jié)束語(yǔ)
采用徠卡MS50全站掃描儀檢測(cè)鐵路隧道建筑限界是一種新的、快速高效的測(cè)量方法，預(yù)示掃描技術(shù)必將迎來(lái)新的發(fā)展契機(jī)。筆者開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件能夠提取斷面和分析限界偏差，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
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