三维激光扫描在地铁隧道形变监测中的应用.pdf

134 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 三维激光扫描在地铁隧道形变监测中的应用陈国真，肖周阳（江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌 330006）摘要：为解决地铁隧道形变监测问题，在介绍三维激光扫描技术及其应用难点的基础上，对以三维激光扫描为基础的地铁隧道形变监测进行深入分析，明确与传统全站仪法相比三维激光扫描的优势特点，以期为相关人员提供参考。关键词：地铁隧道；隧道形变监测；三维激光扫描中图分类号：U456.3 文献标识码：B 文章编号：1673-8098（2023）03-0134-021 三维激光扫描技术应用难点 三维激光扫描也可称作实景复制，突破了传统单点测量的局限性，有着极高的测量效率与精度。采用高速激光扫描技术，得出对象三维坐标，能大量且快速地对空间点位信息进行采集，进而为三维建模提供可靠的参考依据。但要想在隧道工程中采用这项技术进行扫描与处理，存在以下几方面难点：一是隧道中的特征点往往不明显，对多测站之间的拼接有一定影响；二是隧道通常结构狭长，扫描易受到入射角因素的影响和限制。为保证所获得的点云数据的准确性，测点扫描范围应进行严格控制，不可过大；三是市场上用于专门处理点云数据的软件不多，且价格通常比较昂贵1。2 基于三维激光扫描的地铁隧道形变监测2.1 技术流程基于三维激光扫描的地铁隧道形变监测主要分为以下三个部分：外业数据采集、点云数据处理和成果数据提交。为了对扫描成果的准确性和精度进行验证，在对隧道区域实施扫描时，采用全站仪技术进行了断面测量，在 1 个断面上连续测量 8 个点位，相邻两个断面之间的距离按照 6m 严格控制。2.2 外业数据采集采用扫描仪得到的点云数据是将仪器中心作为原点的，在工程实际应用过程中，需将这些数据转换成和隧道施工时使用的相同坐标。点云数据采集可采用 APM 定位法，该方法基本原理为在扫描仪底座设置两个棱镜，并配备一个定向标靶。在进行扫描时，采用全站仪对棱镜绝对坐标进行测量，棱镜之间相对坐标根据扫描仪和底座之间的几何关系通过推算确定，然后在点云中进行识别获取，以此得出空间内三个不同的点在坐标系当中的具体坐标，最终对点云数据进行坐标转换。基于 APM 定位法，需投入 3 人，共消耗 2h 的时间，完成了整个隧道区间的点云数据采集2。2.3 点云数据处理点云数据处理主要包含以下内容：对点云数据进行预处理；对隧道断面进行提取和分析；隧道建模。其中，对点云数据进行预处理的内容为去噪和抽稀。这项工作相对比较简单，借助常规处理软件即可满足要求。在条件允许的情况下，可自行研发专门的软件，以有效解决下列问题。2.3.1 统一点云数据坐标由于点云数据采集时使用 APM 定位法，各测站都能获取三个点在不同坐标系的三维坐标。基于此，应确定不同坐标系对应的转换参数，通过对各测站原始坐标进行的旋转与平移，得出在区域内保持一致的点云数据。2.3.2 将设计数据导入并标定里程将点云数据转换成统一的坐标系之后，可以和设计数据之间实施套合。此次研发的软件可实现设计数据导入，包括平曲线数据、纵曲线数据及断面图。将设计数据导入完成后，采用软件进行标定，使点云数据具备里程方面的信息，为之后的点云截取及对任意里程断面进行的切割创造便利条件。2.3.3 点云截取135NO.3/JUNE.2023交通建设与管理 影响有影响的人 公益广告由于受到扫描时的入射角及扫描距离等因素的影响和限制，当与扫描仪之间的距离较远时，点云数据的精度降低。在软件的支持下对点云数据进行截取，并通过对相邻测站进行的里程标定，将里程范围以外无关的点云数据去除，防止相邻测站采集的点云数据发生重叠。2.3.4 断面切割将起始里程及断面之间的间隔输入后，软件能自动完成断面切割，即按照设计曲线的法线对点云断面进行切割。2.3.5 形变分析对各断面上的离散点实施样条曲线拟合，滚筒式和设计断面套合进行对比分析，可形成间隔为 1m 的形变状况分析图及其表格成果。根据形变分析图，可发现隧道顶部产生了下沉，整个断面表现为扁平化变化3。2.4 精度验证为了对基于三维激光扫描的断面实测精度进行验证，借助全站仪对目标区域内相同的断面实施测量，一个断面分别布置 8个测点。扫描仪与全站仪的实测结果对比情况如表 1 所示。表 1中，X、Y、Z 表示测点在目标坐标系中的坐标，其单位为 m，水平差和高程差的单位均为 mm。因全站仪法的测量精度较低，通过计算可得其水平差和高程差的标准差分别为 18.891mm、12.343mm。在隧道形变监测中引入三维激光扫描和传统采用全站仪法进行检测相比，主要具有以下几方面特点：（1）相对而言，借助三维激光扫描获得的断面数据更为密集。（2）通过比较不同方法在相同里程部位得到的坐标数据可知，因仪器设备和人员操作存在本质上的差异，每一种方法都存在一定程度的误差，但误差都能保持在允许范围之内。因借助三维激光扫描得到的所有断面均为若干点通过拟合而成的，因此该方法形成的断面相较于采用全站仪进行检测更为准确。（3）基于三维激光扫描获得的数据和传统测量结果存在很大不同，完成一次采集后能实现多种不同用途的应用。这方面特点具体表现为：能对三维激光扫描结果的断面进行切割，以此对隧道形变实施动态监测；充分利用灰度信息可以获取隧道整体影像，从而实现对裂缝缺陷的提取及检测；以三维激光扫描获取的结果为依据可以构建三维模型，进而为地铁隧道应急抢险管理提供可靠的基础数据。在隧道区域形变检测中引入三维激光扫描实施数据采集和处理，能对隧道整体产生的形变进行深入分析，根据隧道断面图，可为接下来的隧道支护提供可靠参考。通过大量实践可以得出，三维激光扫描支持可以大幅提高地铁隧道形变检测技术水平，技术本身在工程检测中有良好适用性。3 结语综上所述，地铁是目前很多大型城市居民最常选择的交通出行方式之一，但地铁隧道在施工和运营过程中，因受到综合因素作用，可能产生不同程度的形变，这就需要采用有效的技术措施对隧道形变进行实时监测。传统以全站仪为核心的监测方法存在工作量较大和检测精度不足的问题。在隧道形变监测过程中引入三维激光扫描，可以从根本上解决传统检测方法存在的不足，在保证监测精度的同时，提高作业效率，保证检测精度，为隧道下一步加强支护提供可靠的参考依据，进而从根本上保证隧道安全。参考文献1 孙泽会，曾奇，刘德厚，等.三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用 J.铁路技术创新，2019（5）：68-72.2 胡念念，王蕾.三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中的应用分析 J.建材与装饰，2019（21）：245-246.3 袁长征，滕德贵，胡波，等.三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用 J.测绘通报，2017（9）：152-153.表 1 扫描仪实测和全站仪实测结果对比断面扫描法（m）全站仪法（m）水平差（mm）高程差（mm）XYZXYZ16959.00324277.96162.1756959.00324277.95262.204-9-2926965.00324277.89362.1636965.00324277.91232.18019-1736971.00324277.83062.1596971.00324277.86662.17136-1246976.99424277.78162.1666976.99424277.80762.17426-8137030.93024275.50661.6437030.93124275.51961.64914-6