石家庄铁道学院.docx
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石家庄铁道学院
石家庄铁道大学
大型仪器设备
可行性论证及审批报告
设备名称激光扫描仪系统
申请单位土木工程学院
设备负责人
实验室（中心）负责人
学院（系）负责人
石家庄铁道大学国有资产管理处
2011年4月2日
填表说明
一、购买单价在人民币20万元以上的大型仪器设备，均需填写此表。
二、本表一式二份，经审核后，一份存国有资产管理处作为考核依据，另一份存申请单位，待设备到货后存入设备档案。
三、国产和进口仪器设备均需填写国内同类仪器型号、仪器性能和质量情况以及校内同类仪器设备情况。
四、申请理由论证：
包括国内外同类产品质量性能调研情况以及该仪器在学科建设、教学实验及科学研究中的详细用途。
五、书写时一律用钢笔或毛笔。
六、本表必须逐项填写。
大型仪器设备可行性论证报告
设备名称
中文
激光扫描仪系统
规格
型号
AmbergProfiler
外文
LeicaCyclone
单位（台、件）
台
经费来源
中央与地方共建
国别
瑞士
市场价格
人民币
万元
成交
价格
人民币
瑞士法郎
17.85万瑞士法郎
瑞士法郎
设备性能
技术指标
主要用途
【设备性能】：
3D激光扫描技术广泛应用于建筑物、构筑物的三维建模，小范围的地面模型和高程模型，独立物体的三维模型等等方面。
在国外，3D激光扫描技术也广泛的应用于地下工程中，精确测定隧道施工过程中所有的超欠挖区域和详细的开挖方量；比较不同时间下的测量数据以确定喷浆混泥土的厚度及围岩的形变；检查隧道表面的平整度等等。
【技术指标】：
扫描速度：
500000点/秒；视野范围：
水平：
360度，垂直：
310度；测量精度：
在25M范围内，系统距离误差不大于±2mm,扫描距离:
75M。
【主要用途】：
建筑物、构筑物的三维建模,隧道施工控制,开挖轮廓线形变,隧道表面的平整度检测。
国内已有用户及用户意见
设备使用状态良好，厂家售后服务好。
一、【申请理由】
1．工程测量和监测技术发展的需要
近年来，随着我国公路、铁路、水利、城市地铁等大中型工程建设的发展，测绘、勘察、设计、建筑、科研等各部门对测量和监测技术的要求越来越高。
从事隧道与地下工程测量、控制测量、施工监测等工程的设计、实施和管理工作以及从事工程项目的设计、施工和科研工作，如果不能有效地获得监测数据，为设计和施工迅速、准确、及时的反馈信息，常常就会造成各种工程隐患，引发各种工程事故，给工程施工和国家财产带来巨大的经济损失，严重的还会危机人身安全。
目前，在国家高度重视“安全生产”的形式下，大、中型重要工程的设计和施工对工程测量和监控技术都提出了较高的要求，为了充分体现“以人为本”，实现仪器设备的自动化、智能化和实时化，高精度，低成本、不间断的获得监测数据，动态地做出安全评价，必须改变传统的测量和监测手段，采用先进的测试、监控设备是工程技术发展的必然。
全断面三维隧道激光扫描仪系统正是一种功能齐全多样、测试便捷、数据处理方便准确的先进高效的测量和监测仪器，可应用于公路与铁路隧道工程、水工隧道、城市地铁隧道以及其它地下工程等领域，充分提高测量和监测工作效率，获得较高的经济和社会效益。
2．教学、科研和学科建设的需要
全断面三维隧道激光扫描仪系统具有广泛的适应性，在实际工程当中有着广阔的普及和应用前景。
因此，在近年的本科生和研究生的土木工程监测技术专业课程中已经涉及较多，但是由于目前缺乏实践教学的设备条件，教学效果不理想。
购置这套仪器，将对学生加强这方面技能的培养，让学生基本掌握和了解其相关的功能和使用方法，加强现代化监测设备仪器的感性认识，将对今后工作中解决实际问题大有裨益。
三维激光扫描仪测得的点云数据还需经数据精简、多视拼合、曲面重构等步骤才能构造出CAD模型。
购置一台三维扫描仪为开展点云数据的后续处理提供了数据源，为开展逆向工程数据处理提供了研究对象。
利用三维激光扫描仪便携式特点，可进行生产现场测量，提高测量效率，为生产型实训基地服务。
此外，在我院土木工程专业必修的《地下工程测试技术》，《工程测量技术》专业基础课程中，为学生介绍工程中的新技术、新仪器，可以改善教学状况不能适应新技术的发展要求，教学内容和设备陈旧，教学效果实用性差，学生在课堂上学到的知识在工程实践中已经过时的矛盾，拓宽学生的知识面，对培养面向2l世纪，面向生产实践，具有创新意识的高级工程技术人才有着重要的意义。
在科研和学科建设方面，试验中心承担着铁道部“隧道施工过程力学与安全施工技术研究（2009G005-C）”、“两水化马隧道炭质千枚岩支护结构和施工技术研究（2009G009-B）”等。
此外，还有北京地铁、铁路客运专线以及南水北调等有关的地铁隧道设计、施工监测等方面的研究课题。
在这些国家重点工程中必须采用现代化的仪器设备手段，有效、快速、高质量的完成科研生产任务，达到科研水平上层次、上台阶，充分展现我院的设备先进、技术一流，为开拓科研市场树形象。
二、【预计使用情况及效益分析】
1、教学700学时
课程名称
实验项目名称
实验
时数
实验学生数（本科、研究生）
地下工程测试技术
隧道施工过程监测实验
2学时
本科200人/年，每组学生4人，共计100学时
隧道表面的平整度检测实验
2学时
本科200人/年，每组学生4人，共计100学时
工程测量
建筑物、构筑物的三维建模测量
2学时
本科600人/年，每组学生4人，共计300学时
地面模型和高程模型测量
2学时
本科600人/年，每组学生4人，共计300学时
毕业设计
工程测量技术
20学时
预计10人/年，共计200学时
隧道监控技术
预计
1000学时
2、我校科研预计160天/年，其中
地下工程方向：
60天/年；
道路与铁道工程方向：
20天/年；
工程测量方向:
60天/年；
其它学科：
20天/年。
3、对外服务预计60天/年
建筑施工单位施工控制等。
60天/年。
4、效益分析
全断面三维隧道激光扫描仪系统彻底打破了外业眼瞄、手记、人算的传统工作模式，摈弃了按某些国外自动变形监测软件则要求外业必须配置野外计算机、通信电缆、UPS电源及主电源等局限。
该系统在硬件配置上，简单灵活，投资省，真正实现了独立进行变形观测的作业方式。
购置这套设备将大大提高岩土和隧道等土木工程监测的效率和准确性，具有承接变形监测的技术设备优势，获得更多的科研任务，同时极大地节约工程试验和监测资金、取得明显的经济和社会效益。
三、【全断面三维隧道激光扫描仪系统简介】
随着激光技术和电子技术的发展，激光测量已经从静态的点测量发展到动态的跟踪测量和3D立体测量领域。
由于扫描测量技术的不断臻于完善，3D激光扫描技术在立体测量领域的应用已由前些年的新鲜事物变成了可实际应用的个案，广泛应用于建筑物、构筑物的三维建模，小范围的地面模型和高程模型，独立物体的三维模型等等方面。
在国外，3D激光扫描技术也广泛的应用于地下工程中，比如：
在隧洞施工开挖的各个阶段，采集隧道的所有几何和影像数据；精确测定所有的超欠挖区域和详细的开挖方量；比较不同时间下的测量数据以确定喷浆混泥土的厚度及围岩的形变；检查隧道表面的平整度等等。
1、3D激光扫描技术原理介绍
图1系统构成略图
3D激光扫描仪的工作原理：
通过发射红外光束到旋转式镜头的中心，中心向外散射的激光环被不断的反射回扫描仪，通过时间差求得扫描仪距反射点的距离；根据两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到对应的反射点的水平方向值和竖直方向值，从而获得扫描物的每一个反射点的x、y、z值。
众所周知，脉冲式测距可获得较远的测程，但精度要差一些，相位式测距精度高，但测程较短，基于地下洞室的独特结构，相位式测距的扫描仪较为适合。
2、原始数据的获取
为了准确、快速地构建地下洞室的几何形状，我们必需采集足够的数据，而目前扫描仪可提供每秒50万点的扫描速度，1×1厘米的扫描密度，2mm的扫描精度，水平角度360度，竖直角度310度的扫描范围。
在地下洞室中，数据采集系统一般分为三个部分：
1）三维扫描仪和计算机相连接，三维扫描仪获取相对于自身的所有反射点的x、y、z。
一个测量循环大概需要5分钟。
2）全战仪，测定每站三维扫描仪和球型镜的绝对位置。
3）球形棱镜，置于扫描仪的扫描范围之内，用于扫描仪定位。
数据获取步骤为：
首先将3D扫描仪置于隧道中任意位置（如下图所示），整平，用计算机驱动它进行扫描；扫描完毕，然后用全站仪测量扫描仪上部的棱镜和置于隧道中的球形棱镜。
测量完毕，扫描仪和球形棱镜搬站，全站仪可以不动，重复以上过程，整条隧道的详细的数字和影像文档便被完整地记录了下来。
隧道扫描速度可达每小时130米。
图2扫描仪正在扫描图
3、数据处理和分析
每一个测站的测量数据在数据未做处理之前都是一个个独立的坐标系统，需要的是一个统一的坐标系统，于是，数据处理的首先是要将各个测站的独立数据归并到一个统一的坐标系统中，这个过程叫做APM定位。
图3APM定位模式
定位方法说明：
测站的（扫描仪的位置）绝对坐标被全站仪测出，但它的方向是任意的，为了将它纠正到统一的坐标系统中，我们还需要一个方向控制点，扫描区域中的球形棱镜就是这个方向控制点，在扫描影像图中，它很容易被识别，同时它的绝对坐标是已知的，如下图所示：
这就是球形棱镜在扫描影像图中的位置。
在一个测站中，测站和后视点（球形棱镜）已知，那么整个测站数据将被确定下来。
依此方法一一定位，直到所有的测站数据定位完毕。
有了完整的定位数据，就可以从中直接提取断面（以任意间隔，可以是10米，也可以是50厘米），用于开挖、衬砌断面的比较和分析，同时超挖、欠挖面积及方量计算以报告的形式输出。
这种尽可能逼近隧道真实形状的土方量计算可以说是解决工程量争议的最有力的数字依据。
如果有了两次不同时间段的扫描，比如开挖中，衬砌后，通过断面的比较就可以得到真实的衬砌混泥土的厚度，另可通过开挖线与理论衬砌线的比较估计混泥土方量及其他材料的所需数量。
在地下工程的维护阶段，还可通过定期的扫描，对其净空形变的趋势进行分析。
对于一些特殊的隧道，需要知隧道道衬砌表面的平整度，采用常规方法一般来讲是没有办法做到的，因为工作量过于巨大，无法快速地在要求的工期内完成高密度的采点，于是便大概的测量少量断面来进行分析，由于数据量少，结果就可能会有所偏颇。
使用3D扫描仪，可快速获得高密度，高精度的扫描点云，配合相关的支持软件，整个隧道表面的影像图以投影的方式展开，针对不同的凹凸程度配之于不同的色彩，隧道表面的平整度便真实，直观的显现在你面前。
如下图所示：
图4隧道表面平整度检查
处理软件TMSTunnelscan是根据隧洞检测的需求研发的高科技产品，其核心硬件是AmbergProfiler超高速相位式扫描仪，该系统通过分析发射和接收激光信号的强度和相位差，快速获得隧道衬砌内表面的影像和隧道衬砌表面扫描点的坐标，通过专门的处理和分析软件可快速建立隧洞的真实三维模型和表面图像（清晰度优于500万数码相机的拍摄质量）。
TMSTunnelscan隧洞扫描可用做隧洞表面平整度（起伏差）检测、糙度检测、混凝土衬砌厚度的无损检测，合理统筹材料用量，可进行长、大隧道的地质素描并建立完整的隧洞建设档案。
对于保证施工质量、提高作业效率、节约施工成本、缩短工期及优化工序起到很大的作用。
四、【选型依据】
目前国内外市场上全断面三维隧道激光扫描仪系统应用最为广泛的是瑞士徕卡测量股份有限公司和瑞士安博格公司生产的全断面三维隧道激光扫描仪系统，测量精度高，自动化高，适应范围广，野外作业工作量少等特点，以满足不同工程项目的测试需求。
五、【使用技术力量（是否具备使用技术力量或需要培训人员情况）】
姓名
年龄
文化程度
职务职称
参加何种工作
专职
或兼职
培训情况
41
硕士
高级试验师
桥梁与隧道工程
专职
熟悉
43
硕士
副教授，实验室主任
测绘工程
专职
熟悉
43
硕士
教授，实验室主任
岩土工程
专职
熟悉
40
硕士
教授
桥梁与隧道工程
专职
熟悉
39
博士
教授
桥梁与隧道工程
兼职
熟悉
40
博士
副教授，实验室主任
道路与铁道工程
专职
熟悉
40
硕士
教授
岩土工程
兼职
熟悉
41
博士
教授
岩土工程
专职
熟悉
35
博士
讲师
岩土工程
专职
熟悉
36
博士
副教授
桥梁与隧道工程
专职
熟悉
29
博士
讲师
岩土工程
专职
熟悉
29
博士
讲师
岩土工程
专职
熟悉
29
博士
讲师
岩土工程
专职
熟悉
审批意见
学院（系）领导意见：
学院（系）领导年月日
专家组评审意见：
负责人年月日
主管部门意见：
负责人年月日
会签部门意见：
年月日
校领导审批意见：
学校领导年月日
国有资产管理处
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