三维激光扫描技术在隧道工程中的应用分析

分析

摘要：随着科学技术的发展，我国的三维激光扫描技术有了很大进展，并在隧道工程中得到了广泛的应用。三维激光扫描能够对扫描场景进行高精度还原，三维激光扫描的点云含有位置和属性信息，基于多源传感器获取的地铁隧道点云数据，对其进行深度分析挖掘，可以获取更多有用信息。本文首先分析激光扫描技术的概念，其次探讨作业流程及数据处理，最后就三维激光扫描技术在隧道工程中的应用进行研究，以供相关工程进行参考。

关键词：三维激光扫描；隧道工程；应用 引言

三维激光扫描技术的出现使准确、高效获取空间三维信息提供了可能,它能够通过高速旋转的激光头单位时间内发射数十万甚至数百万激光点,进而真实还原三维空间形态,通过对点云信息的深度挖掘,可以准确识别隧道的裂缝、渗漏水及管片错台等病害信息。 移动轨道扫描系统集成了高精度三维扫描仪、高精度激光惯导、GNSS/ INS 组合定位定姿装置、线结构激光测量传感器、控制与存储模块及高清全景相机等多种传感器于一体;借助小车可以在轨道上匀速前进,从而准确获取隧道空间无死角全息点云数据,通过专业后处理软件处理,可准确提取隧道结构中心线、轨面线、断面结构等三维空间状态信息;通过一定的数学运算,可进行隧道结构收敛、椭圆度、旋转、错台等物理变形分析;根据点云反射率信息,借助人工智能算法,可自动或半自动识别隧道裂缝、渗漏水等病害信息并进行标注,从而建立地下隧道的病害数据库,共后期决策部署使用,为线路运营安全预防及调度提供基础数据保障。

1激光扫描技术

激光扫描技术作为一种非接触式的主动测量技术，可在天气条件不理想的情况下进行作业。该技术通过搭载在不同平台上的激光扫描仪通过面状扫描获取目标地物表面的三维坐标信息，以较高数据采集效率获取海量的激光点云数据，通过高密度点云数据建立三角网，生成地物的数字表面模型，同时利用激光扫描仪搭载的相机拍摄影像为点云数据赋色，使得点云数据三维可视化效果更接近于真实场景。激光扫描技术具有数据获取速度快、人员易操作、安全性高等技术优势，可大幅度降低外业人员的作业强度，极大提高数据采集效率，为项目生产提质增效。获取的激光点云数据具有密度高、精度高、抗干扰能力强等特点，在文物修复与保护、电力巡检、数字矿山等领域有着较广泛的应用。但是目前由于仪器设备的限制，该技术还存在一些不足之处，主要表现在实际应用中针对扫描仪视角场以外的地方，例如建筑物顶部等区域往往出现因视角盲区导致的数据扫描不完整的情况，以及搭载的同轴相机拍摄视角不佳导致的影像纹理欠缺等问题。三维激光扫描系统主要由扫描系统、控制系统和计算机系统三部分组成，其中扫描系统主要包括激光测距模块和激光扫描模块；控制系统通过计算机总线控制扫描模块和测距模块来保证扫描工作的正常进行；计算机系统通过系统指令的方式方法来控制仪器的工作，并将测量数据进行存储。

2作业流程及数据处理

三维激光扫描作业流程主要包括外业扫描作业和内业数据处理两部分。外业扫描作业主要是数据采集的工作，而内业数据处理主要包括坐标转换处理、点云数据拼接、点云数据优化、点云数据融合、点云数据降噪以及结果的可视化输出。在外业数据采集的过程中，三维激光扫描仪扫描的点云仅是点与点之间的相对位置关系，因此，在内业数据处理过程中先进行坐标转换的工作，将相对位置关系转换成绝对位置关系。

3三维激光扫描技术在隧道工程中的应用 3.1外业数据采集

移动轨道三维激光扫描数据采集主要包括作业前准备、现场作业以及作业结束整理等步骤。首先建立项目,设置分辨率、扫描密度等相关参数,使用配套的数

据采集软件建立控制器与小车的连接;其次作业过程中需要采集相关的轨距、里程等空间信息,在作业文件下将相应的选项勾选,连接成功后点击测量,点击结束完成外业测量。

3.2限界分析

以轨面中心线为基准，导入设计限界图，计算扫描点云与限界边线的最小距离，判断车辆是否侵限，同时确定侵限长度大小。

3.3病害检测

根据隧道病害的种类不同，可以把隧道病害分为以下几种：1）隧道结构性渗漏水是指隧道因结构问题导致渗漏水的发生。常根据渗水量及渗漏物的不同，将隧道结构性渗漏水分为湿迹、渗水、滴漏、漏泥。2）隧道结构性开裂是指隧道管片开裂、缺角或缺损，管片开裂是指管片表层混凝土开裂；缺角是指管片端部混凝土缺失；缺损是指管片纵缝两侧混凝土片状缺失。3）管片错台指相邻管片间发生了相对位移，管片错台是导致隧道差异沉降的主要原因之一，一般隧道验收隧道衬砌环内错台允许偏差10ｍｍ，衬砌环间错台允许偏差5ｍｍ。4）隧道结构变形超标是隧道管片在人为或自然因素导致隧道结构自身变形较大。

3.4数据处理

1)参数设置。对于地下盾构隧道,由不同类型的管片拼装在一起形成一个圆环,通常每一环都是由6个管片构成,但环与环之间管片顺序可能不同。要计算管片之间的错台量,需要知道6种不同类型管片之间的空间相对位置关系,这个角度信息通常是固定的;同时还得设置好环宽和管片直径等相关信息。2)影像标记。外业扫描结束,将点云数据导入后处理软件进行点云数据预处理,首先将点云数据按照一定的投影面展开成正射影像。此软件通过设置KP块进行点云数据纠正,KP块位于每环的不同位置。对于环号默认从1开始,也可进行手动更改;设置好环宽和初始里程后,随着环号的增加,里程依次增加。

3.5盾构隧道横断面提取

任意一个里程坐标系下，通过平面法向量截取盾构隧道的平面，并提取任意里程、不同环数的横断面，通过圆柱体与平面相交的空间关系可以发现：①若该平面与圆柱体截交线的点云数据为圆形，则该平面与隧道点云垂直，直接合理设置点到平面的距离并截取任意里程下的隧道点云横断面即可提取隧道横断面；②若该平面与圆柱体截交线的点云数据为非圆形，通过椭圆定理可反推出平面法向量与坐标轴夹角，平移、旋转横断面点云数据即可提取隧道横断面。

3.6椭圆度检测

对于采用盾构法施工的圆形地铁隧道，其断面在设计施工时为圆形，但在外力作用下会变形为离心率很小的椭圆，椭圆度的大小可以表示施工的工艺质量，椭圆度代表圆形隧道管片衬砌拼装成环后隧道最大与最小直径的差值与隧道设计内径的比值，以千分比表示。 在施工阶段，管片拼装要求衬砌椭圆度允许偏差为 ６‰以内，由此推断出该区间隧道受周围地质和人为因素影响较大。

结语

随着时间的推移,运营地下隧道工程周边环境变化势必造成隧道结构劣化,因而进行病害检测对其安全运营尤为重要。采用传统方式费时、费力,不利于三维可视化表达应用,无法建立便于管理和决策的资料数据库系统。鉴于三维激光扫描技术优越性,结合移动轨道三维激光扫描系统,探讨其在地铁隧道工程病害检测中的应用,分析外业采集和数据处理过程的重点和难点。但从目前来看,三维激光扫描技术在测量领域的应用潜力还有待进一步开发利用,尤其是点云数据处理方面的软件有待进一步提升。

参考文献

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