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摘要：由于溶洞的特殊性，传统探测方法不能对溶洞进行准确探测。三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式，能在复杂的溶洞内对其进行快速扫描测量，并建立立体模型，分析溶洞的性质及影响。文中通过黔张常铁路大型溶洞的探测介绍激光扫描的工作原理、技术路线及探测全过程，为后续非可视溶洞探测寻找到一种直观有效的方法。
关键词：溶洞探测；三维激光扫描技术；点云数据处理
黔张常铁路位于武陵山区腹地，沿线地质构造复杂，地形地貌多变，可溶岩广布，岩溶强烈发育，溶洞广泛分布，岩溶洞穴的存在对隧道工程的稳定和施工运营安全都会造成很大风险，故探明溶洞发育情况是至关重要的一环。
三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式，能在复杂的溶洞内对其进行快速扫描测量，从而获得点云数据。依据溶洞点云数据建立溶洞三维模型，便可在三维空间中分析溶洞内部情况，分析溶洞与隧道的空间距离，为溶洞的后期治理和隧道的工程布置提供依据。
1、三维扫描技术在溶洞探测的可行性
黔张常铁路向家包二号隧道在勘探过程中发现地下140m左右有一特大溶洞，人员无法进入，通过传统激光测距仪测量，溶洞直径大约30m，高度200m，洞内无水。传统的溶洞探测方法包括常规的测量方法和地球物理的方法两大类，如全站仪测量法、探地雷达法、高密度电法、地震映像法等。由于此溶洞为隐蔽溶洞，人员无法进入，故全站仪测量法不适用；而地球物理探测仅为推测，不能准确反映溶洞的信息；而常规地质钻探仅为“一孔之见”，不能全面反映溶洞的情况。故这些常规溶洞探测方法对溶洞信息的获取能力显得不足，难以真正实现对溶洞的准确探测。
而三维激光扫描技术可以通过钻孔进入溶洞内对其进行扫描，集成数据扫描、勘测与设计为一体，并且拥有强大的体积与距离计算工具，可以对溶洞进行准确测量，是溶洞探测的一种先进、直观的探测方法。
2、三维激光扫描
2.1空区激光自动扫描系统
英国MDL公司开发的空区激光自动扫描系统（C-ALS）是是世界上第一款能通过钻孔对地下空间进行扫描的装置。其通过水平和竖直驱动轴转动探头用激光器进行扫描，得到扫描点的数据，数据遥感勘测系统将所有的测量数据送回外部的主控装置。数据将被计算机获取并管理。通过处理、观察和编辑数据的软件建立空间立体形态模型，并进行数据分析。工作时，C-ALS前端内部的电动双轴扫描头可确保全方位360°扫描。当探测器下放到溶洞内部并到达理想扫描位置后，通过控制软件界面，可对激光扫描模式进行设定，按需要选择单一水平切片扫描模式、水平扫描模式和垂直扫描模式等三种扫描模式进行组合扫描。
2.2三维激光扫描技术原理
如图2-1所示，空区三维自动激光扫描系统利用位于探头鼻部的激光二极管发出激光脉冲，激光脉冲传播到被测目标点，再经光敏二级管接收由物体表面反射回来的激光信号，计算出激光的“飞行时间”，由光速C和“飞行时间”Δt算出扫描仪与被测目标点之间的距离L。此外，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。激光扫描三维测量釆用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。由此可获得出三维激光脚点坐标的计算公式为：
4.2现场数据采集
C-ALS系统以孔口坐标作为定位原点，将探头下放过程中，通过数电缆线的节点来确定钻孔深度。当探头到达溶洞内部后，通过摄像头视频监控到内部有足够空间后就可进行溶洞的扫描。
溶洞自动激光扫描系统的完整探测过程如下：（1）测量地表钻孔的孔口坐标和钻孔跟踪杆件架的方位角。（2）下放探测器并记录钻孔跟踪数据。（3）激光扫描。探测器到达理想扫描位置并保存完钻孔下放跟踪数据后，便可以通过控制软件准备开始对溶洞进行激光三维扫描。（4）合成钻孔跟踪数据和溶洞点云数据。
4.3溶洞探测结果
4.3.1探测原始点云数据
经过分别对2个钻孔下溶洞进行三维激光扫描，得到2个钻孔探测的原始点云。图4-2为1号钻孔1度精扫得到的原始点云，图4-3为2号钻孔1度精确扫描得到的点云。
图4-1 1号钻孔原始点云
图4-2 2号钻孔原始点云
4.3.2数据处理
图4-4地表、钻孔、隧道及溶洞模型
在探头下放过程中，系统软件自动记录下方的深度、下方时的方位角、倾角变化情况，再将两次探测的数据在软件中进行拼接，使得相同探测点位位置完全重合，最后1、2号钻孔拼接后形成的溶洞三维点云模型。
处理后的点云模型运用三维软件实体建模功能实现溶洞三维可视化模型的建立，经过与钻孔三维信息、地面信息、拟建隧道信息合并，最终生成了隧道与溶洞和地表的位置关系三维图图4-4。
4.3.3成果利用
通过建立溶洞的三维模型，可以计算了溶洞的体积，并对溶洞与隧道间的关系分析，指出了溶洞的发育方向，对溶洞的安全性进行分析，明确其对隧道的影响。
5、结束语
空区激光自动扫描系统是一款高性能、非接触性的高精度测量设备，经其探测可以再现溶洞现状，具有直观、可视、可量测等特点，可直接分析溶洞与隧道的关系，为铁路方案选择提供准确依据。
黔张常铁路第一次将其引入非可视溶洞探测中，为后续岩溶空洞探测寻找到一种直观有效的方法。
参考文献：
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[4]王景阳，魏旭，余洪，林承阳.基于三维激光技术的溶洞扫描及数据后处理方法[J].实验室研究与探索.2011（7）；
论文作者:汪中恒
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期供稿
论文发表时间:2015/12/3
标签：溶洞论文; 激光论文; 钻孔论文; 测量论文; 数据论文; 隧道论文; 模型论文; 《基层建设》2015年17期供稿论文;