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摘要：科学技术的发展为三维激光扫描技术的商业化提供了基础，现阶段三维激光扫描技术在越来越多的场景中得以应用，说明了三维激光扫描技术越来越成熟。三维激光扫描技术在地质测量方面的应用大大提升地质测量的工作效率；随着越来越多先进的三维激光扫描技术在地质测量中的应用，许多传统测量方法无法解决的问题得以轻松解决，越来越多的传统地质测量方法被三维激光扫描技术代替。为了使三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工中更好的应用，本文详细的分析了三维激光扫描的发展，并详细阐述三维激光扫描技术的工作流程和常见的问题，希望以此提升三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工中的应用，促进我国地质测量工程的发展。
关键词：三维激光扫描；地形测量；精度
为确保隧道初支、二衬净空，保证工程实体质量，不断提升隧道专业化施工水平，公司在张吉怀项目及后续铁路建设项目推广应用隧道三维全断面自动扫描系统。
1工程概况：
立新村隧道位于湖南省吉首市双塘镇立新村，隧道全长689m，进出口里程分别为DK144+293、DK144+982；洞内设单面坡，最大埋深约60m。本隧道为时速350km单洞双线隧道。DK144+293～DK144+520为Ⅴ级围岩，DK144+520～DK144+730为Ⅳ围岩，DK144+730～DK144+982为Ⅴ级围岩，各级围岩预留变形量为：Ⅳ级围岩8-12cm，Ⅴ级围岩10-17cm。
2三维激光扫描技术在地形测量中的重要性
三维激光扫描技术从上个世纪末开始应用于隧道超欠挖施工工作中，通过三维激光扫描技术的应用可以大大提升隧道超欠挖施工的准确性，与传统的隧道超欠挖施工方法相比，三维激光扫描技术突破了传统技术的缺陷，实现了更高精度的隧道超欠挖施工，三维激光扫描技术和GPS空间定位系统是隧道超欠挖施工上的两大技术性突破。利用三维激光扫描技术可以快速获取地形地貌的三维坐标数据，为实现三维制度提供了基础数据[1]。相对于传统的隧道超欠挖施工技术具有明显的优势：
（1）使用三维激光扫描技术进行地形地貌测量时，扫描仪器会以网格的形式进行高精度、高密度、高速度和免棱镜的扫描测试点，对测量位置的地形地貌数据进行全面细节性的获取，精度高、速度快；（如图2.1-1）
图2.1-1三维扫描隧道地形地貌图
（2）使用三维激光扫描技术制作的地形地貌图精度远远好于传统技术生成的图形，同时采用传统技术测量绘制地形地貌图时需要工作人员进行大量的户外测量工作，而使用三维激光扫描技术大大减少了测量人员的户外作业任务量。并且即使是投入了大量的时间，传统测量方式的精度远不及三维激光扫描技术。隧道三维监测软件批量处理出的点云及断面。（如图2.2-1）
图2.2-1
3三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工应用现状
3.1三维激光扫描硬件的革新
（1）扫描速度越来越快。随着三维激光扫描硬件的不断革新，扫描速度也由每秒几千点不断提升，目前最新的三维激光扫描技术可以将扫描速度提升到每秒几十万点甚至更高，扫描速率的提升大大缩短了数据采集时间，降低了工作量，提高了隧道超欠挖施工的工作效率，解决了地质测量需要工作人员长时间在野外进行工作的问题。
（2）扫描器件一体化、小型化。如今三维激光扫描仪器已经由分立的仪器发展成为了一体式的仪器，不仅便于操作和携带，同时精度也得到了进一步的提升。
（3）扫描角度实现了全景扫描。三维激光扫描的视场角从最早的几十度已发展成为目前全景扫描（全景扫描），全景扫描的实现大大简化了扫描操作，实现了一次性扫描全部测试点，大大提升了测量效率，简化了工作量。
（4）扫描精度不断的提升。随着激光扫描技术的不断提升，三维激光扫描仪器可以实现对测试点进行微细扫描，精度达到了极大的提升。
3.2算法不断的优化
三维激光扫描技术除了硬件设备的提升，还需要配合高效的算法，合理的算法有利于提升测试基础数据的处理速率，目前高效的软件算法可以实时处理几十亿的测试点的数据量。三维激光扫描硬件配套的软件系统可以做到高效处理大数据能力，这是保障三维激光扫描仪器整体工作效率的基础，同时也是提升三维激光扫描仪器时效性的前提。
4三维激光扫描技术的工作流程
（1）三维激光扫描技术
根据扫描平台的不同，通常有三种类型的三维激光扫描系统：机器安装的三维激光扫描系统、便携式三维激光扫描系统和地面三维激光扫描系统。地面三维激光扫描系统的工作原理是三维激光扫描发射器传输激光电磁波，它在物体表面的位置发生漫反射，一部分激光电磁波信号会沿着原来的路径返回到三维激光发射器，这样就可以获取测试点与测试仪表之间的距离。同时，用精密时钟控制横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。
（2）三维激光扫描技术的工作流程
三维激光扫描技术的工作涉及数据采集、数据处理、几何重建、模型可视化、扫描结果输出等，数据采集是三维激光扫描发射器传输激光电磁波，它在物体表面的位置发生漫反射，一部分激光电磁波信号会沿着原来的路径返回到三维激光发射器，这样就可以获取测试点与测试仪表之间的距离。完成这些工作之后，通过相关软件产生地形的几何图形和图像数据信息，将模型的坐标或位置转换为图像数据，从而生成了可视化模型。这一过程是通过三维激光扫描仪、数码相机、数据处理软硬件件配合完成。
5地面三维激光在张吉怀铁路隧道超欠挖中的应用
隧道净空质量分为超挖和欠挖两种形式。当隧道开挖轮廓线大于隧道设计轮廓线时即是超挖；而当隧道开挖轮廓线小于隧道设计轮廓线时即是欠挖。想要判断隧道是否超欠挖，首先需要计算隧道的设计面积，然后计算实际开挖后截取断面的面积。控制超欠挖主要是开挖轮廓线（或周边孔线）的精度要控制好。由于测量错误引起的超欠挖在隧道施工中将是致命的，必须规避此类风险。隧道超欠挖数据分析（如图5-1、5-2）
5-15-2
6精度测绘成果评定
在保证点云数据自检符合精度要求后，进行隧道精度测绘成果评定，具体操作如下：①平面绝对位置精度评定，即利用特征点拟合提取法，通过对比分析实现隧道平面图绝对位置精度的检测。在此过程中，将点云进行切片处理，实现点云有效剖切（切边厚度需控制在2cm以内）；从获得的切片点云中进行近邻点云检索，检索到的隧道近邻点云需拟合地形特征点；利用鲁棒迭代最小二乘算法，获得近邻域拟合地形特征点，并在对比分析中实现算法拟合错误点的剔除；将在点云（三维激光扫描技术应用下获得）中提取到的特征点，和隧道地质地形图同名点进行比较，通过计算中误差，实现平面绝对位置精度的有效检测。②平面相对位置精度评定，即利用切片点云，实现点云中地物边长、地物点间距与地形图中地物边长、地物点间距的对比分析，通过中误差计算分析，进行平面相对位置精度的检测。③隧道地质地形图高程精度的评定，即利用算法拟合法、三维点云交互提取法实现高程标记点、等高线差求点的获得，在点云与地形图相关数据对比分析中实现高程精度检测。④隧道地质地形图地理精度的评定，即依托计算机网络技术，在三维点云进行人机交互式检查，实现点云数据与地形图地理精度对比分析，实现地理精度的有效检测。
结语
将三维激光扫描系统应用于隧道超欠挖施工，实现了对地质更细微的测量，降低了地质测量的工作量，减少了测量人员外出测量的工作时间，提升了测量效率和准确性。随着技术的不断发展，三维激光扫描技术将会在地质测绘中得到更深入的应用。因此，我国地质工作者应该加强对三维激光扫描技术的研究，一方面做好扫描精度的提升，另一方面不断优化算法，提升测量效率，降低地质测量难度和工作量。
参考文献：
[1]赵吟佳.简析三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工中的应用[J].智能城市，2017（01）：106.
[2]马龙.简析三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工中的应用[J].环球人文地理，2017（8）.