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三维激光扫描技术及在隧道安全监测中的应用
日期:2017-7-14 9:59:02 作者:佚名 来源:本站原创
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【摘 要】隧道监控量测目的是通过对隧道净空收敛和沉降观测,进行数据分析,优化隧道施工方案和设计,确定合理的安全步距和支护时间,保障隧道施工和工后运营安全,虽然国内外对隧道监控量测工作十分重视,但目前监测水平与信息化施工要求还相差甚远。本文基于三维激光扫描技术,提出隧道三维激光扫描测量和数据可视化处理技术,经工程应用和实践,结果表明该技术可以实时、准确、全方位获取隧道空间变形数据,进行隧道施工变形分析和反分析,对隧道施工进行风险预警预报,指导隧道信息化施工,具有重要的工程应用价值。

  【关键词】激光扫描仪,监控量测,预警预报,信息化
  1 引言
  隧道监控量测必测项目常采用水准仪、钢挂尺、收敛计和全站仪等进行测量,但水准仪、钢挂尺、收敛计等由于测量精度不高,受隧道施工影响较大,易造成施工阻碍,数据存储、传输、处理、分析等工作量大,工程应用不便。全站仪数字化技术具有精度高、施测方便,数据存储、传输方便,可以直接与计算机连接,在友好的计算机操作系统中,实现监测数据自动传输,利用计算机自动分析、处理和查询等。隧道及地下工程修建技术不断提高的同时,信息化施工已成为地下工程发展的必然趋势,而工程的实时监测也将发挥更为重要的作用,同时监控量测的要求也越来越高,这必然促使实时监测技术飞速发展。三维激光扫描技术可以实时、准确、全方位获取隧道空间变形数据,进行隧道施工变形分析和反分析,对隧道施工进行风险预警预报,指导隧道信息化施工。
  2 三维激光扫描技术
  隧道三维激光扫描可视化监测技术运用数字图像处理技术和计算机视觉技术,将人们使用各种仪器测量的数据处理,转换成人们能够直观、形象地理解的图像信息,帮助人们寻找数据中潜在的各种有用信息,使人们能够对获得的数据进行深刻、全面的理解。
  隧道三维激光扫描可视化监测技术采用三维激光雷达扫描仪进行隧道全断面非接触扫描测量,监测点布设成黑白相间反光十字标靶或标志球,测量时仪器主动获取和存储隧道实体的点云数据,包括实体在同一空间坐标系或参考系下描述目标实体的空间分布和目标表面光谱特性的海量点云数据集合。通过点云拼接和滤波分析等,得到隧道空间的三维实体模型,进行数字信息化处理和隧道预警预报,指导隧道信息化施工和设计。
  3 点云数据的获取
  隧道工程为一狭长结构,施工安全步距一般为几米至几十米,三维激光扫描仪的扫描密度是随着扫描距离的增加而下降的,所以在隧道有限的管状空间内,为了保证有充足的点云数据用于提取隧道的形变信息,通常每个测站所获取的点云数据中有效范围只有几十米,这是隧道特殊结构下不可避免的特殊问题。采用三维激光扫描技术进行隧道监控量测时需通过分站式扫描才能采集全部数据。为了使监测数据连续可靠,扫描数据必须有一定的重合度,即保证点云数据拼接过程中每两个测站间的公共部分,监测时需根据隧道断面尺寸大小,每隔一定距离设置一个测站,用于拼接的控制点只能布设在两站间的衔接部分,在每两个测站间的隧道内壁上均匀布设 5-6 个反光靶,以及在地面上布设 3-4 个反光靶拼接时将第一站作为基准站,其后每一站分别与相邻的前一站作拼接,前后测站间首尾相连。但所测点云数据分别在以各站站点为原点的独立坐标系中,因此在进行隧道形变分析时,需要对各测站点云数据进行拼接。
  4 点云数据的拼接
  隧道监测区段的数据采集过程中需对隧道进行分站式扫描,且在其后的数据处理过程中,必然涉及到点云数据的拼接问题,点云数据的拼接精度是保证后期一系列数据计算精度的重要前提,所以要尽量的减小拼接误差。
  点云数据拼接是通过计算每两个测站点云数据所在坐标系之间的转换参数,将所有点的三维坐标统一到同一个坐标系下。对于扫描数据来说,不存在扭曲和缩放,需要的是平移和旋转,即刚体变换。
  点云数据拼接方法主要有:(1)利用专用的测量仪器实现测量数据的直接拼接,此种方法简单快速,无须事后数据拼接,其拼接精度依赖于硬件的测量精度,但系统通常复杂、昂贵,而且不能满足任意视角测量;(2)基于测量表面贴附标记点的方法,这种方法通过贴附足够数量的标记点用以计算两组点云数据间的拼接变换参数,但所得拼接精度受标记点数量影响较大,并且在确定标记点位置时易受复杂外形的限制;(3)根据测量后的点云数据拼接算法处理,把不同坐标系的点云数据统一拼接到同一坐标系统下,这种方法拼接精度主要依赖于拼接算法的优劣,类别上可大概分为基于点信息的拼接算法、基于几何特征信息的拼接算法、动态拼接算法和基于影像的拼接算法。
  5 工程应用与实践
  宝峰隧道是昆玉铁路重点风险监控隧道,进口段属浅埋偏压隧道,围岩等级为Ⅴ级,主要以强风化泥灰岩为主,地质构造发育,隧道监控量测采用隧道三维激光扫描监测技术对隧道进行了跟踪监测。
  为及时掌握隧道施工过程中变形和收敛情况,对隧道监测数据进行分析处理,采用专用的分析软件SCENE 4.8进行点云数据处理和分析,建立隧道三维空间实体模型和对比分析模型,如图1所示,分析隧道净空收敛和收敛值如图2所示,在Geomagic Studio 10软件也可浏览和查询任意点的坐标值和其它点云信息,准确地掌握隧道净空变化规律,为隧道的安全施工提供有力的保障。
  6 结论与建议
  隧道三维激光扫描监测方法是利用三维激光扫描系统实时、全方位、高精度、高密度获取海量实体点云数据,并进行点云拼接、滤波处理等得到隧道实体的三维模型和分析结果,生成了不同里程的断面图和变化分析图,可用来分析隧道的净空收敛和拱顶沉降等变化规律,并进行预警预报,具有数据真实可靠、实时处理和全信息数字化等优点,便于工程信息化施工和管理。
  工程应用表明,隧道三维激光扫描监测方法可以快速、实时地获取隧道施工的动态数据,掌握隧道的动态变化规律,指导隧道信息化安全施工,是目前最理想的监控量测方法,并取得了较好的应用效果。
  参考文献:
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