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中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
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三維激光掃描技術(shù)及在隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
更新時(shí)間：2021-04-10 17:51
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　  【摘 要】隧道監(jiān)控量測(cè)目的是通過(guò)對(duì)隧道凈空收斂和沉降觀測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化隧道施工方案和設(shè)計(jì)，確定合理的安全步距和支護(hù)時(shí)間，保障隧道施工和工后運(yùn)營(yíng)安全，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)工作十分重視，但目前監(jiān)測(cè)水平與信息化施工要求還相差甚遠(yuǎn)。本文基于三維激光掃描技術(shù)，提出隧道三維激光掃描測(cè)量和數(shù)據(jù)可視化處理技術(shù)，經(jīng)工程應(yīng)用和實(shí)踐，結(jié)果表明該技術(shù)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全方位獲取隧道空間變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道施工變形分析和反分析，對(duì)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)，指導(dǎo)隧道信息化施工，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。 
　　【關(guān)鍵詞】激光掃描儀，監(jiān)控量測(cè)，預(yù)警預(yù)報(bào)，信息化 
　　1　引言 
　　隧道監(jiān)控量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目常采用水準(zhǔn)儀、鋼掛尺、收斂計(jì)和全站儀等進(jìn)行測(cè)量，但水準(zhǔn)儀、鋼掛尺、收斂計(jì)等由于測(cè)量精度不高，受隧道施工影響較大，易造成施工阻礙，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、處理、分析等工作量大，工程應(yīng)用不便。全站儀數(shù)字化技術(shù)具有精度高、施測(cè)方便，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸方便，可以直接與計(jì)算機(jī)連接，在友好的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析、處理和查詢等。隧道及地下工程修建技術(shù)不斷提高的同時(shí)，信息化施工已成為地下工程發(fā)展的必然趨勢(shì)，而工程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也將發(fā)揮更為重要的作用，同時(shí)監(jiān)控量測(cè)的要求也越來(lái)越高，這必然促使實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展。三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全方位獲取隧道空間變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道施工變形分析和反分析，對(duì)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)，指導(dǎo)隧道信息化施工。 
　　2　三維激光掃描技術(shù) 
　　隧道三維激光掃描可視化監(jiān)測(cè)技術(shù)運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，將人們使用各種儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成人們能夠直觀、形象地理解的圖像信息，幫助人們尋找數(shù)據(jù)中潛在的各種有用信息，使人們能夠?qū)Λ@得的數(shù)據(jù)進(jìn)行深刻、全面的理解。 
　　隧道三維激光掃描可視化監(jiān)測(cè)技術(shù)采用三維激光雷達(dá)掃描儀進(jìn)行隧道全斷面非接觸掃描測(cè)量，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)成黑白相間反光十字標(biāo)靶或標(biāo)志球，測(cè)量時(shí)儀器主動(dòng)獲取和存儲(chǔ)隧道實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括實(shí)體在同一空間坐標(biāo)系或參考系下描述目標(biāo)實(shí)體的空間分布和目標(biāo)表面光譜特性的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合。通過(guò)點(diǎn)云拼接和濾波分析等，得到隧道空間的三維實(shí)體模型，進(jìn)行數(shù)字信息化處理和隧道預(yù)警預(yù)報(bào)，指導(dǎo)隧道信息化施工和設(shè)計(jì)。 
　　3　點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取 
　　隧道工程為一狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，施工安全步距一般為幾米至幾十米，三維激光掃描儀的掃描密度是隨著掃描距離的增加而下降的，所以在隧道有限的管狀空間內(nèi)，為了保證有充足的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于提取隧道的形變信息，通常每個(gè)測(cè)站所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中有效范圍只有幾十米，這是隧道特殊結(jié)構(gòu)下不可避免的特殊問(wèn)題。采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道監(jiān)控量測(cè)時(shí)需通過(guò)分站式掃描才能采集全部數(shù)據(jù)。為了使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，掃描數(shù)據(jù)必須有一定的重合度，即保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接過(guò)程中每?jī)蓚€(gè)測(cè)站間的公共部分，監(jiān)測(cè)時(shí)需根據(jù)隧道斷面尺寸大小，每隔一定距離設(shè)置一個(gè)測(cè)站，用于拼接的控制點(diǎn)只能布設(shè)在兩站間的銜接部分，在每?jī)蓚€(gè)測(cè)站間的隧道內(nèi)壁上均勻布設(shè)　5-6　個(gè)反光靶，以及在地面上布設(shè)　3-4　個(gè)反光靶拼接時(shí)將第一站作為基準(zhǔn)站，其后每一站分別與相鄰的前一站作拼接，前后測(cè)站間首尾相連。但所測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別在以各站站點(diǎn)為原點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系中，因此在進(jìn)行隧道形變分析時(shí)，需要對(duì)各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。 
　　4　點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接 
　　隧道監(jiān)測(cè)區(qū)段的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需對(duì)隧道進(jìn)行分站式掃描，且在其后的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，必然涉及到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接問(wèn)題，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度是保證后期一系列數(shù)據(jù)計(jì)算精度的重要前提，所以要盡量的減小拼接誤差。 
　　點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是通過(guò)計(jì)算每?jī)蓚€(gè)測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)所在坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下。對(duì)于掃描數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，不存在扭曲和縮放，需要的是平移和旋轉(zhuǎn)，即剛體變換。 
　　點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法主要有：（1）利用專用的測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的直接拼接，此種方法簡(jiǎn)單快速，無(wú)須事后數(shù)據(jù)拼接，其拼接精度依賴于硬件的測(cè)量精度，但系統(tǒng)通常復(fù)雜、昂貴，而且不能滿足任意視角測(cè)量；（2）基于測(cè)量表面貼附標(biāo)記點(diǎn)的方法，這種方法通過(guò)貼附足夠數(shù)量的標(biāo)記點(diǎn)用以計(jì)算兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的拼接變換參數(shù)，但所得拼接精度受標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量影響較大，并且在確定標(biāo)記點(diǎn)位置時(shí)易受復(fù)雜外形的限制；（3）根據(jù)測(cè)量后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接算法處理，把不同坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一拼接到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，這種方法拼接精度主要依賴于拼接算法的優(yōu)劣，類別上可大概分為基于點(diǎn)信息的拼接算法、基于幾何特征信息的拼接算法、動(dòng)態(tài)拼接算法和基于影像的拼接算法。 
　　5　工程應(yīng)用與實(shí)踐 
　　寶峰隧道是昆玉鐵路重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控隧道，進(jìn)口段屬淺埋偏壓隧道，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，主要以強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r為主，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，隧道監(jiān)控量測(cè)采用隧道三維激光掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。 
　　為及時(shí)掌握隧道施工過(guò)程中變形和收斂情況，對(duì)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，采用專用的分析軟件SCENE　4.8進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和分析，建立隧道三維空間實(shí)體模型和對(duì)比分析模型，如圖1所示，分析隧道凈空收斂和收斂值如圖2所示，在Geomagic　Studio　10軟件也可瀏覽和查詢?nèi)我恻c(diǎn)的坐標(biāo)值和其它點(diǎn)云信息，準(zhǔn)確地掌握隧道凈空變化規(guī)律，為隧道的安全施工提供有力的保障。 
　　6　結(jié)論與建議 
　　隧道三維激光掃描監(jiān)測(cè)方法是利用三維激光掃描系統(tǒng)實(shí)時(shí)、全方位、高精度、高密度獲取海量實(shí)體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行點(diǎn)云拼接、濾波處理等得到隧道實(shí)體的三維模型和分析結(jié)果，生成了不同里程的斷面圖和變化分析圖，可用來(lái)分析隧道的凈空收斂和拱頂沉降等變化規(guī)律，并進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，具有數(shù)據(jù)真實(shí)可靠、實(shí)時(shí)處理和全信息數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，便于工程信息化施工和管理。 
　　工程應(yīng)用表明，隧道三維激光掃描監(jiān)測(cè)方法可以快速、實(shí)時(shí)地獲取隧道施工的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，掌握隧道的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，指導(dǎo)隧道信息化安全施工，是目前最理想的監(jiān)控量測(cè)方法，并取得了較好的應(yīng)用效果。
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