结构横断面测量一般采用支距法、全站仪三维坐标法、断面仪法、三维激光扫描仪法等。
支距法
首先用全站仪放出线路中桩,然后依据设计给定的高度,用尺子直接量取横距和高差。
此方法简单、直观,武隆思瑞三坐标,但是由于测量工具简陋,对隧道环境要求较高,每一断面限界控制点又需直接测量,个别点测量困难,所以劳动强度大、测量精度低。该方法适用于洞径较小、测量精度要求较低的断面测量。内业数据处理时,需要手工将外业填写的数据逐个录入计算机的电子表格,供设计人员使用。操作起来很繁琐、枯燥,没有较好的快速处理方法。
全站仪三维坐标法
采用全站仪直接测取断面上限界控制点的三维坐标,并记录在全站仪的数据采集器内。
全站仪三维坐标法外业测量时,不用每个断面设站,可以一次性测量多个断面,仪器可架设在中线点上,也可以架设在控制点上,受限制条件相对较少;内业利用软件进行数据计算,思瑞三坐标搬家,计算完成后,依据计算结果绘制横断面图,并提供限界控制点坐标、横断面尺寸以及与设计值的比较成果等一系列所需成果资料。全站仪三维坐标法进行横断面限界测量速度快、精度高、劳动强度小在限界测量中得到广泛应用。
断面仪法
首先用全站仪放出每个断面的线路中桩,然后在每个中桩上架设断面仪,找到垂直线路方向,对断面进行扫描。
此方法简单、直观,但劳动强度大、每一个断面都要设站一次,隧道底部分存在盲区。内数需要在断面图上采集设计需要的横距和高差数据,然后录入电子表格,供设计人员使用。内业繁琐,没有较好的快速处理方法。
三维激光扫描仪法
三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统,在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量,直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度,自动存储并计算,获得点云数据。后处理采用商业软件进行。
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针对标靶扫描、全站仪辅助等因素造成扫描作业过程的复杂繁琐,提出了集成RTK的三维激光扫描技术测量地形的整体方案。采用网络RTK同轴同步测量扫描站坐标;两级拼接策略:地物点粗拼接与基于面搜索的ICP准确配准;采用测块四角或周边RTK点进行点云准确定向;采用自主研发的点云测图平台进行地形测绘。通过几种典型地形的实验验证,该方案使得扫描作业效率提高了约5倍,与现行全野外数字测图方法比较,作业效率提高了约3倍。基于全站仪的全野外数字测图方法仍是1∶500大比例尺地形测绘的主流方法,随着测图软件的不断更新,该方法的内业制图效率得到较大提升,但是外业仍需投入大量人力跑尺采点。三维激光扫描技术是测绘领域的高新技术,获取的数据由点云和影像组成,不仅记录了扫描对象的坐标数据和尺寸信息,更能自动记录其拓扑与纹理信息,使得传统点测量向“形测量”转化[1]。与传统测量手段相比,三维激光扫描技术具有不用照准部、扫描作业自动化、数据记录自动化、获取的数据信息丰富等特点[2],已应用于古建筑测绘、虚拟现实、变形测量、林业调查等领域。文献[3-12]尝试采用三维激光扫描技术代替传统全野外数字测图方法,以减轻测量人员的外业工作强度,但是这些实验普遍存在作业面积小,精度评定点数少等特点,不具说服力,思瑞三坐标大修,代表性不强。
虽然三维激光扫描仪单测站采集数据精度高、速度快,但是要获取完整的地形点云数据,则需多站扫描拼接。文献[3-12]的三维激光扫描仪测量地形的作业方法,采用全站仪或GPS-RTK进行控制测量、布设并测量标靶,准确扫描标靶,基于标靶进行内业测站间拼接和坐标转换,从而得到大地坐标系下地形的点云数据,效率低、工作量大,仅在精细地形测绘[8-9]、地物单一的矿山地形测绘[3,6,10]、难及区域的地形测绘[5,11]等方面得到了尝试应用。
造成三维激光扫描作业过程复杂繁琐,制约了其在地形测量方面推广应用的主要因素有:
(1)标靶:布设标靶、测量标靶、扫描标靶、回收标靶、内业提取标靶等一系列针对标靶的操作[3-11],使得每测站耗时估计增加约5min。
(2)全站仪:采用全站仪布设导线[8],思瑞三坐标校准,然后测量标靶,使得每测站平均增加至少3min。
(3)对中整平:在控制点上布设扫描测站,要求对中整平,使得每测站耗时增加1~2min[3-8,12]。
(4)三脚架: 采用三脚架固定仪器,测站转站时,为保护扫描仪需关机,下一站重新开机并初始化,使得作业时间增加至少2min[3-12]。
(5) 测图软件: 多种软件组合使用,缺少专业的基于三维点云的地形测绘软件[4-12]。
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