劉妍1,孫海麗2
(1.自然資源部第一航測遙感院，陜西西安710054；2.首都師范大學,北京100048)
摘要:無控制方式的移動激光隧道檢測系統(tǒng)能獲得高質量的三維點云數據，能對隧道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內都可以正常使用，相比集成慣導的移動軌道掃描系統(tǒng)，大大降低了成本，提升了外業(yè)檢測效率。采用移動隧道檢測系統(tǒng)對天津地鐵某區(qū)間進行安全檢測，通過獲取隧道全息全斷面數據，進行隧道點云數據采集、斷面變形解算(全斷面變形分析和收斂直徑計算)、病害提取，生成隧道內壁和軌道影像、漫游視頻，用于對隧道斷面、限界、病害等信息進行全方位的分析，生成多種格式成果，為移動激光掃描技術在地鐵隧道中的應用提供借鑒。
關鍵詞:隧道安全檢測；移動激光隧道檢測系統(tǒng)；數據分析；點云數據；正射影像
1.引言
隧道幾何結構安全狀況直接影響隧道的使用性能，對隧道結構的狀態(tài)進行監(jiān)測、檢測與維護整治尤為重要。由于城市軌道交通運營維護期間天窗時間短，隧道檢測效率、檢測數據處理精度及有效性都將影響軌道交通的正常運營，只有提高和長久保持隧道結構的強度和穩(wěn)定性，對隧道及時進行變形檢查和維護，才能滿足列車快速、平穩(wěn)、舒適、安全的運輸要求。
目前，隧道變形監(jiān)測主要采用全站儀或三維激光掃描測量。基于全站儀的自動變形監(jiān)測方法，精度可靠，在實際工程中的應用仍然比較廣泛。全站儀自動變形監(jiān)測測量通過全站儀測量隧道環(huán)片標志點，或采用無棱鏡反射方式測量，可實現全自動化測量，監(jiān)測精度雖然較高，但效率較低，成本較高，而且測量點位密度較稀疏，只能選擇部分斷面進行檢測，不便于進行全斷面變形檢測。
三維激光掃描測量因其獲取數據速度快、點密度大精度高、使用簡單方便等優(yōu)點，將成為隧道檢測的主要技術手段。
Leica、Amberg、武漢漢寧軌道交通技術有限公司推出了移動軌道掃描系統(tǒng)，集成了CNSS、IMU、激光掃描儀、里程計等傳感器，能對軌道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內都可以正常使用，并為竣工分析提供測繪級精度的三維點云，但要求外業(yè)掃描過程中要聯測控制點。首都師范大學研制的無控制方式的移動激光隧道檢測系統(tǒng)，無需集成GNSS和慣性導航系統(tǒng)，僅借助激光掃描儀在移動軌道小車平臺上勻速運行，便可獲得高質量的三維點云數據。本文利用無控制移動激光隧道檢測系統(tǒng)在地鐵隧道進行測試，介紹其作業(yè)流程、數據處理方法及其應用。
2.無控制移動激光隧道檢測系統(tǒng)
無控制方式的移動激光隧道檢測系統(tǒng)，借助激光掃描儀在移動軌道小車平臺上勻速運行，獲得高質量的三維點云數據，檢測速度支持高達4.5 km/h的作業(yè)速度；支持輔助里程計、軌距測量儀等傳感器，提高了相對定位精度；能對隧道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內都可以正常使用；能進行斷面、限界檢測及正射影像生成，相比集成慣導的移動軌道掃描系統(tǒng)，大大降低了成本；采用無控制點聯測方式，提升了外業(yè)檢測效率。
移動激光隧道檢測系統(tǒng)支持多種掃描儀，采用無控制點聯測方式檢測隧道相對變形，不需考慮軌道和隧道的整體沉降、軌道平順性等變形特性，僅關注隧道空間結構的相對變化，可進行隧道的定期監(jiān)測、保護區(qū)施工監(jiān)測、成型隧道驗收施工等，適用于隧道收斂檢測線路管理維護竣工分析、限界測量、凈空測量、病害檢測等多個領域。
無控制移動隧道激光檢測系統(tǒng)配套的隧道激光點云采集與處理軟件是隧道激光掃描監(jiān)控量測系統(tǒng)，主要有移動點云采集、隧道數據處理與成果分發(fā)功能。利用移動式三維激光掃描測量技術可快速獲取隧道表面大量的點的三維坐標和圖像灰度值等信息，對這些點云數據進行預處理與變形解算后，可以獲得被掃描隧道的收斂直徑、錯臺變形、內壁影像、漫游視頻等量測成果，生成測量報表、斷面CAD、病害報表等，為地鐵盾構隧道施工及運營維護檢測提供完整解決方案。圖1為移動隧道檢測作業(yè)流程。
圖1、移動隧道檢測作業(yè)流程
數據處理主要包括點云影像預覽、點云預處理、斷面收斂變形分析、錯臺分析、凈空檢測、病害標注、隧道高清影像生成與實景漫游構建報表生成等工作內容。
3.隧道安全狀態(tài)分析
本文以天津地鐵安全檢測項目為例，采用移動隧道檢測系統(tǒng)對某一區(qū)間進行工程化測試，通過獲取隧道全息全斷面數據，進行隧道點云數據采集、斷面變形解算(全斷面變形分析和收斂直徑計算)、錯臺分析、病害提取、隧道內壁和軌道影像生成漫游生成應用，對隧道斷面、限界、病害等信息進行全方位的分析。
運營地鐵隧道安全檢測的內容主要包括隧道斷面檢測、限界檢測及滲漏水等病害檢測。在地鐵隧道位置、結構的幾何參數檢測中，收斂和限界檢測尤為重要。盾構隧道收斂變形檢測主要結合隧道結構特征，進行穩(wěn)健估計橢圓擬合，獲得橢圓長半軸、短半軸、水平直徑、橢圓度等信息。限界檢測可結合實測點云掃描得到的軌面點云進行軌道面提取，解算軌面高程基準，建立軌面坐標系，并結合鐵路設計相關規(guī)范提供的地鐵列車或設備限界數據進行隧道斷面限界檢測以及接觸網導高和拉出值拱頂凈高的計算。
激光掃描數據具有“全覆蓋、密度高”的特點，為便于后續(xù)深入分析，掃描后提供的全斷面數據可導出成逐環(huán)全斷面dxf文件，例如，收斂直徑、環(huán)內錯臺、凈空檢測以及環(huán)間錯臺dxf成果文件，并標注環(huán)片拼接塊的實際位置，方便查看和數據管理。
隧道激光掃描監(jiān)控量測系統(tǒng)的解算成果分為全斷面CAD圖及統(tǒng)計報表(Excel表格)，其中，統(tǒng)計報表主要包含整個數據的收斂直徑、錯臺弧長、平均錯臺量等分析數據，可進行進一步分析應用。
對隧道內滲漏水發(fā)生的位置、分布及其面積等進行定量量測，主要采用該系統(tǒng)的隧道內壁影像功能。隧道現狀影像的主要特點為高頻次、高分辨率，相對于普通數碼像機照片，具有全覆蓋、精確量算和無需光照等優(yōu)勢，有利于及時發(fā)現隧道內的各項安全隱患，克服了人工巡檢的漏檢、非標準化、指標隨意等缺點。本試驗對應的內壁影像圖局部放大如圖2所示，從圖中能夠看到，結合激光掃描生成的高清隧道影像質量較高。
圖2、高清影像局部放大圖
為解決隧道掃描點云數據和解算成果的可視化難題，避免人工建模所需的大量人力，可利用掃描點云的XY坐標、里程、反射率信息以及檢測成果直接生成三維漫游場景，并以第一人稱生成漫游視頻，將隧道現狀、環(huán)號-里程、直徑變形、錯臺、附屬設施等關鍵信息融合到視顏中，相關人員可更全面地查看監(jiān)控量測成果。
地鐵隧道中最常見的病害是滲漏水，常規(guī)的滲漏水檢測以人工拍攝巡檢方式為主，數據成果量化、保存與共享比較困難。基于移動激光掃描方式獲取隧道壁高精度、高密度的三維點云坐標信息及激光反射信號的強度信息，結合強度信息可對掃描目標的結構.材質、含水量等信息進行提取和反演，實現目標探測與識別。如圖3所示，結合移動激光掃描獲取的隧道點云數據生成的正射膨像強度圖能給出滲漏水的兒何信息，如滲漏水的面積，彌補傳統(tǒng)方法獲取單一。幾何數據的缺陷，便于病害成果的幾何量測與數據管理。
圖3、隧道滲漏面積計算
4.結束語
結合移動激光隧道檢測系統(tǒng)進行隧道安全狀態(tài)檢測，檢測速度可支持最高4.5km/h的作業(yè)速度，能提高作業(yè)效率，提供全斷面、收斂直徑、環(huán)內錯臺、環(huán)間錯臺等變形檢測成果表和CAD圖，并進行表觀膨像的初步識別和判讀，制作隧道實景漫游視額。
移動激光隧道檢測系統(tǒng)可采用無控制方式，對隧道進行移動式激光檢測，適用于隧道結構相對變化檢測，但對于一些絕對測量場最(如沉降監(jiān)測、軌道平順性檢測)，則需要增加慣性導航系統(tǒng)，并聯測控制點。
實踐結果表明，無控制方式的移動激光隧道檢測系統(tǒng)可開展隧道結構病害的快速檢測，在采集范圍、影像分排率及采集效率方面具有一定的優(yōu)勢。通過激光掃措可獲取隧道內壁高分辨率影像和漫游視頻，便于相關專業(yè)人員直觀清楚地了解隧道內壁的附屬設施和病害現狀，還可為后期的隧道綜合調度指揮和結構病害分級跟蹤管理提供工作底圖，也可為后續(xù)線路的BIM信息化管理提供基礎數據。建議在隧道竣工驗收測量、監(jiān)護項目結構調查、長期收斂測量以及應急搶險等特殊工況條件下的快速普查等項目中，開展無控制方式的移動激光隧道檢測系統(tǒng)試驗應用。
來源：《測繪技術裝備》
