中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
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(xué),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(zhì)量的三維點云數(shù)據(jù)，能對隧道及周邊實現(xiàn)全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內(nèi)都可以正常使用，相比集成慣導(dǎo)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(jìn)行安全檢測，通過獲取隧道全息全斷面數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道點云數(shù)據(jù)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(nèi)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(jìn)行全方位的分析，生成多種格式成果，為移動激光掃描技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用提供借鑒。
關(guān)鍵詞:隧道安全檢測；移動激光隧道檢測系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析；點云數(shù)據(jù)；正射影像
1.引言
隧道幾何結(jié)構(gòu)安全狀況直接影響隧道的使用性能，對隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、檢測與維護(hù)整治尤為重要。由于城市軌道交通運營維護(hù)期間天窗時間短，隧道檢測效率、檢測數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，對隧道及時進(jìn)行變形檢查和維護(hù)，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?；谌緝x的自動變形監(jiān)測方法，精度可靠，在實際工程中的應(yīng)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(biāo)志點，或采用無棱鏡反射方式測量，可實現(xiàn)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?jǐn)嗝孢M(jìn)行檢測，不便于進(jìn)行全斷面變形檢測。
三維激光掃描測量因其獲取數(shù)據(jù)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(shù)手段。
Leica、Amberg、武漢漢寧軌道交通技術(shù)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(xiàn)全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內(nèi)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(lián)測控制點。首都師范大學(xué)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(dǎo)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(zhì)量的三維點云數(shù)據(jù)。本文利用無控制移動激光隧道檢測系統(tǒng)在地鐵隧道進(jìn)行測試，介紹其作業(yè)流程、數(shù)據(jù)處理方法及其應(yīng)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(zhì)量的三維點云數(shù)據(jù)，檢測速度支持高達(dá)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(xiàn)全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內(nèi)都可以正常使用；能進(jìn)行斷面、限界檢測及正射影像生成，相比集成慣導(dǎo)的移動軌道掃描系統(tǒng)，大大降低了成本；采用無控制點聯(lián)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(lián)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(guān)注隧道空間結(jié)構(gòu)的相對變化，可進(jìn)行隧道的定期監(jiān)測、保護(hù)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(hù)竣工分析、限界測量、凈空測量、病害檢測等多個領(lǐng)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(shù)據(jù)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(shù)可快速獲取隧道表面大量的點的三維坐標(biāo)和圖像灰度值等信息，對這些點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(nèi)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(gòu)隧道施工及運營維護(hù)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(shù)據(jù)處理主要包括點云影像預(yù)覽、點云預(yù)處理、斷面收斂變形分析、錯臺分析、凈空檢測、病害標(biāo)注、隧道高清影像生成與實景漫游構(gòu)建報表生成等工作內(nèi)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(jìn)行工程化測試，通過獲取隧道全息全斷面數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道點云數(shù)據(jù)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(nèi)壁和軌道影像生成漫游生成應(yīng)用，對隧道斷面、限界、病害等信息進(jìn)行全方位的分析。
運營地鐵隧道安全檢測的內(nèi)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(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)檢測中，收斂和限界檢測尤為重要。盾構(gòu)隧道收斂變形檢測主要結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)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(jié)合實測點云掃描得到的軌面點云進(jìn)行軌道面提取，解算軌面高程基準(zhǔn)，建立軌面坐標(biāo)系，并結(jié)合鐵路設(shè)計相關(guān)規(guī)范提供的地鐵列車或設(shè)備限界數(shù)據(jù)進(jìn)行隧道斷面限界檢測以及接觸網(wǎng)導(dǎo)高和拉出值拱頂凈高的計算。
激光掃描數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可導(dǎo)出成逐環(huán)全斷面dxf文件，例如，收斂直徑、環(huán)內(nèi)錯臺、凈空檢測以及環(huán)間錯臺dxf成果文件，并標(biāo)注環(huán)片拼接塊的實際位置，方便查看和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的收斂直徑、錯臺弧長、平均錯臺量等分析數(shù)據(jù)，可進(jìn)行進(jìn)一步分析應(yīng)用。
對隧道內(nèi)滲漏水發(fā)生的位置、分布及其面積等進(jìn)行定量量測，主要采用該系統(tǒng)的隧道內(nèi)壁影像功能。隧道現(xiàn)狀影像的主要特點為高頻次、高分辨率，相對于普通數(shù)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(xiàn)隧道內(nèi)的各項安全隱患，克服了人工巡檢的漏檢、非標(biāo)準(zhǔn)化、指標(biāo)隨意等缺點。本試驗對應(yīng)的內(nèi)壁影像圖局部放大如圖2所示，從圖中能夠看到，結(jié)合激光掃描生成的高清隧道影像質(zhì)量較高。
圖2、高清影像局部放大圖
為解決隧道掃描點云數(shù)據(jù)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(biāo)、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(xiàn)狀、環(huán)號-里程、直徑變形、錯臺、附屬設(shè)施等關(guān)鍵信息融合到視顏中，相關(guān)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(shù)據(jù)成果量化、保存與共享比較困難?；谝苿蛹す鈷呙璺绞将@取隧道壁高精度、高密度的三維點云坐標(biāo)信息及激光反射信號的強度信息，結(jié)合強度信息可對掃描目標(biāo)的結(jié)構(gòu).材質(zhì)、含水量等信息進(jìn)行提取和反演，實現(xiàn)目標(biāo)探測與識別。如圖3所示，結(jié)合移動激光掃描獲取的隧道點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的缺陷，便于病害成果的幾何量測與數(shù)據(jù)管理。
圖3、隧道滲漏面積計算
4.結(jié)束語
結(jié)合移動激光隧道檢測系統(tǒng)進(jìn)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(nèi)錯臺、環(huán)間錯臺等變形檢測成果表和CAD圖，并進(jìn)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(jìn)行移動式激光檢測，適用于隧道結(jié)構(gòu)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(dǎo)航系統(tǒng)，并聯(lián)測控制點。
實踐結(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)壁高分辨率影像和漫游視頻，便于相關(guān)專業(yè)人員直觀清楚地了解隧道內(nèi)壁的附屬設(shè)施和病害現(xiàn)狀，還可為后期的隧道綜合調(diào)度指揮和結(jié)構(gòu)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(chǔ)數(shù)據(jù)。建議在隧道竣工驗收測量、監(jiān)護(hù)項目結(jié)構(gòu)調(diào)查、長期收斂測量以及應(yīng)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(yīng)用。來源：《測繪技術(shù)裝備》
