Цель работ заключалась в оценке эффективности использования метода лазерного сканирования для определения пространственного положения и конфигурации стен и свода при проходке тоннелей либо их реконструкции. Оценке подлежали точность и полнота получаемых данных, временные и трудозатраты на выполнение измерений и камеральную обработку, трудоёмкость и степень сложности освоения технологии.

Задачи работ состояли в двукратном (с разницей в одни сутки) определении конфигурации стен и свода тоннеля, а также вычислении толщины бетонного слоя, нанесённого на стены и свод в промежутке между циклами методом набрызга. Кроме этого, задачей являлось сравнение данных, полученных тахеометрическим методом и методом лазерного сканирования.
Объект представляет собой железнодорожный тоннель длиной 2 400 метров. Тоннель сдан в эксплуатацию в 1953 году, а в 2002 году закрыт для проведения реконструкции. Участок работ расположен на расстоянии 300 м от Западного портала тоннеля.

Ширина тоннеля на участке работ составляет около 7,5 м, высота до свода – около 9 м. Стены и свод имеют неровную конфигурацию, обусловленную проводящимися взрывными работами.
При рекогносцировке в первую очередь были выбраны точки установки сканеров. Эти точки были выбраны таким образом, чтобы обеспечить необходимое покрытие поверхности стен и свода тоннеля с одной установки прибора.

Установка пластиковых сфер, их маркировка и размещение на металлических предметах

Закрепление опорных точек для сканера iQsun880 производилось магнитными основаниями, помещаемыми на металлические предметы. Для геодезических измерений на опорных точках на дюбеля накручивалась специальная призма, служащая отражателем. Затем, непосредственно перед сканированием вместо призмы на дюбеля устанавливались пластиковые сферы, служащие для идентификации опорных точек на сканах. При этом расстояние до центра призмы равно радиусу сферы, что позволяет однозначно назначить координаты опорной точки на скане.

Перед процессом сканирования осуществлялось определение координат опорных точек в системе координат тоннеля. Задача решалась полярным методом с пунктов маркшейдерской сети, а также с пункта временного закрепления, вынесенного на подошву тоннеля.

Электронный тахеометр на пункте сети. Маркшейдерская привязка сканирующих систем

Для системы CMS-100 были определены координаты двух опорных точек. Одна из них представляла собой штатную визирную марку, расположенную на лазерной сканирующей головке на известном расстоянии от центра вращения. В качестве второй опорной точки был выбран центр пятна от лазерного луча системы, направленного на деревянной конструкции в 35 метрах от сканера. При этом луч был сориентирован по азимуту начального направления сканирующей системы.

Кроме этого, были выбраны ещё четыре опорных точки на стенах тоннеля. Такими точками также служили центры лазерного пятна. Координаты этих точек были определены с целью апробации альтернативного способа привязки системы, заключающегося в вычислении координат центра лазерной сканирующей головки и азимута начального направления по измерениям на пять точек с известными координатами (одна из которых находится в плоскости начального направления).

Для выполнения сканирования система CMS устанавливалась на стандартный геодезический штатив на равном расстоянии от стен тоннеля. При этом лазерная сканирующая головка была сориентирована таким образом, чтобы азимут начального направления был близким к азимуту оси тоннеля.

Перед началом съёмки, одновременно с геодезическими измерениями, в ручном режиме работы сканера выполнялись измерения на опорные точки. При этом запоминающим устройством регистрировались углы возвышения и вращения, а также расстояния до этих точек.

Время, затраченное на выполнение съёмки, составило в первом цикле около одного часа, во втором цикле – 40 минут.

Лазерная сканирующая система Optech CMS-100 в работе	Лазерный сканер iQsun880 в работе

Лазерный сканер iQsun880 был установлен также на равном расстоянии от стен тоннеля, начальное направление съёмки не имело значения, поскольку способ сканирования данным прибором не предполагает его ориентирования в заданной системе координат.
Область сканирования задавалась 360ºх320º, т.е. полный диапазон работы сканера. Плотность съёмки объекта, исходя из размеров участка тоннеля и требований к детальности измерений, была выбрана ¼ от максимально возможной.

Перед началом сканирования на опорные точки были установлены специальные сферы для идентификации этих точек на сканах.
Сканирование производилось последовательно с одной рабочей точки. Управление прибором и передача полученных данных производились при помощи переносного персонального компьютера Notebook. При этом использовалось программное обеспечение «iQrecord», входящее в комплект поставки сканера.
Процесс сканирования, включая установку прибора, подготовку к работе и настройку программного обеспечения, занял около десяти минут.

Построение сечений в программе Qvol

Построение сечений по данным съёмки системой CMS было выполнено при помощи программы Qvol, поставляемой вместе со сканирующей системой. Для построения поперечных сечений модель, построенная по данным измерений первого цикла, была сориентирована по направлению оси тоннеля. Затем модель поверхности была разделена на сто равных частей, и соответственно этому делению были построены сечения. Расстояния между сечениями при этом оказались равными 0,64 м. Затем все построенные сечения были экспортированы в файл формата .dxf. Дальнейшая работа с ними происходила в программе AutoCAD.
Аналогично были построены сечения по данным второго цикла измерений. Расстояния между сечениями в этом случае составили 0,55 м.

Затем все построенные сечения были перенесены в один файл. На предыдущем рисунке (слева) показаны поперечные сечения, совмещённые в одном файле в интерфейсе программы AutoCAD. Красным цветом отображены сечения, построенные по данным первого цикла измерений, чёрным цветом – второго цикла. Толщина слоя бетона определяется путём совмещения отдельных сечений и вычисления расстояний между ними (рисунок справа).

Затем было выполнено построение продольного профиля тоннеля. Для этого модель, построенная по данным измерений, была сориентирована в программе Qvol перпендикулярно направлению оси тоннеля. Далее построения велись аналогично построению поперечных сечений. Из возможных продольных сечений было выбрано одно, проходящее через ось тоннеля.

Для выполнения тех же операций в программе AutoCAD необходимо выполнить совмещение в одном файле моделей, построенных при конвертации программой LASRD в формат .dxf. Для трансформации данных, полученных сканером iQsun880, были использованы идентифицированные на сканах изображения опорных точек, которые были описаны примитивами в виде сфер. Программным путём были определены центры этих сфер, которым затем были присвоены координаты опорных точек, вычисленные по данным геодезических измерений.

Первичные данные со скана в интерфейсе программы «iQscene»	Поверхность тоннеля в облаке точек.  Данные съёмки сканером iQsun880

Построение поперечных сечений по данным, полученных при помощи сканера iQsun880, выполнялось в программном обеспечении Cyclone. Функции программы позволяют нанести ось тоннеля по координатам её характерных точек, а также построить отвесные плоскости, перпендикулярные этой оси и плоскость, содержащую эту ось. Затем точки из «облака», попавшие на полученную плоскость, соединяются полилинией, которая и является заданным сечением.

Построение отвесных плоскостей по облаку точек	Построение поперечного сечения методом полилинии, соединяющей точки облака

Поскольку лазерным сканером iQsun880 был выполнен один цикл измерений, дальнейшие работы по вычислению толщины бетонного слоя не представляются возможными. Однако, в поле зрения сканера попал участок, на котором во время набрызга произошло отслоение части бетонного раствора. По образовавшейся выемке была определена толщина бетонного слоя в отдельно взятых точках.

Определение толщины бетонного слоя в отдельно взятых точках поверхности

В результате выполненных работ были получены трёхмерные модели поверхности стен и свода тоннеля, позволяющие проводить измерения любых геометрических параметров, строить любые разрезы и сечения, подготавливать данные для переноса на планшеты и другие твёрдые носители, а также использовать её для ведения горно-графической документации в цифровом виде.
Использование метода лазерного сканирования для выполнения подобных съёмок позволяет с минимальными трудозатратами на полевые измерения получать пространственные модели объекта с достаточной точностью, полнотой и достоверностью. При этом значительно увеличивается производительность по сравнению с традиционными методами измерений и построений. Кроме того, при переходе на цифровой вид хранения и использования данных, а также на работу с трёхмерными изображениями и моделями использование метода лазерного сканирования позволяет значительно упростить подготовку данных.
Метод также может быть использован при проведении мониторинга тоннеля.