隧道檢測中運(yùn)動式激光掃描數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用方法*

李新民 周民立

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201600，上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生)

三維(3D)激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)是:激光射線細(xì)微、能量集中、是可見光、波程精確可計、對反射物分辨清晰、對實物外形可精確復(fù)制、對光照無要求、數(shù)據(jù)采集分辨率高和采集速率快。結(jié)合全站儀、全景攝像和數(shù)字建模等其它技術(shù)手段，可以對城市軌道交通隧道區(qū)域的建筑空間進(jìn)行測形、測量或?qū)Ω信d趣的建筑表面進(jìn)行分析。但是一般激光掃描儀都是獨(dú)立的機(jī)電系統(tǒng)，在應(yīng)用時需要將掃描設(shè)備擱置在三腳架上，放在特定位置對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描。對于長距離軌道交通線路環(huán)境，需要分段掃描;在相鄰掃描區(qū)段設(shè)置參考標(biāo)靶，然后對分段掃描后數(shù)據(jù)再進(jìn)行拼接處理，自動化程度低，對現(xiàn)場工作人員的操作經(jīng)驗和線下的數(shù)據(jù)拼接技術(shù)都有較高的要求。根據(jù)前期的研究成果［1］，在解決了移動承載平臺、傳感定位方法和同步檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)后，本文的研究團(tuán)隊已經(jīng)成功地完成了運(yùn)動式移動激光掃描數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制，在移動平臺上進(jìn)行激光掃描數(shù)據(jù)采集，同樣獲得了完整的3D空間數(shù)據(jù)，而且大大提高了數(shù)據(jù)采集效率。本文結(jié)合上海軌道交通1號線上海南站站至莘莊站區(qū)段地下隧道的運(yùn)動式激光掃描數(shù)據(jù)采集試驗，總結(jié)了采集的后數(shù)據(jù)處理方法和應(yīng)用方法。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

運(yùn)動式激光掃描的空間數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用工作流程如圖1所示。已經(jīng)研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由移動平臺、承載在平臺上設(shè)置成2D工作模式的激光掃描儀和安裝在平臺輪軸上的傳感器等硬件組成。采用的關(guān)鍵技術(shù)方法是在平臺移動時對隧道切面{X，Z}進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集，記錄下掃描進(jìn)程與平臺實時位置的關(guān)系，生成同步文件供重建軌道伸展方向Y軸使用。采集后數(shù)據(jù)的處理是根據(jù)同步文件中的信息來分析平臺移動軌跡，確定相應(yīng)Y軸線狀走向，并推導(dǎo)出對采集后空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換公式，以便生成完整的3D隧道空間數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理還包括對掃描儀輸出空間數(shù)據(jù)特殊格式轉(zhuǎn)換為通用格式(或者應(yīng)用SDK編寫程序讀取數(shù)據(jù))、對數(shù)據(jù)缺失性的質(zhì)量評估，以及對數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征的分析。

圖1 運(yùn)動激光掃描數(shù)據(jù)系統(tǒng)的工作流程

現(xiàn)場試驗使用的是德國法如公司的Focus 3D掃描儀［2］，在設(shè)置成2D切面掃描模式時在掃描圓周線上的分辨率可選為 1/32、1/16、1/8、1/4、1/2 和1六級，分別對應(yīng)在一個半圓周上的掃描點(diǎn)數(shù)為543、1068、2134、4268、8534、17068。空間數(shù)據(jù)序列的表示方法是:每1個掃描圓圈由左右2列(column)組成，每1掃描圓圈上的數(shù)據(jù)點(diǎn)由行(row)來表示。試驗使用的是一段35 m長，掃描分辨率 1/4，質(zhì)量 4x，總共 2 500掃描圈(5 000 columns)的拱形隧道截面數(shù)據(jù)。

2 采集后數(shù)據(jù)處理方法

2.1 平臺移動距離估算

當(dāng)平臺直線行走時，通過對車載位置檢測可以得到2D點(diǎn)云數(shù)據(jù)所缺失的在Y坐標(biāo)軸上的數(shù)值，并建立隧道切面空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)與所在Y軸方向位置數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。在理論上這種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是嚴(yán)格實時同步的，需要通過CAM(通信協(xié)議)等通信方式將位置信息以標(biāo)簽方式實時貼入動態(tài)掃描數(shù)據(jù)的屬性中。試驗中考慮到掃描點(diǎn)空間軌跡雖然是螺旋形狀，但是平臺移動速度慢和掃描鏡頭轉(zhuǎn)速快，可假設(shè)3D數(shù)字空間由許多數(shù)字切面相鄰組成，且相鄰切面之間距離均等，于是掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)在Y軸向上的位置就是數(shù)據(jù)點(diǎn)所在切面在Y軸上的位置。可以將每個掃描切面當(dāng)前序列號與移動平臺實時位置相互關(guān)聯(lián)，并建立同步文件供線下數(shù)據(jù)的重建。現(xiàn)有編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈均勻輸出1 024個TTL(晶體芯-晶體芯邏輯電平)個脈沖及每個脈沖在t時刻的正反向標(biāo)志Kt(=1前走;=－1倒退)。若輪子半徑為R，可計算移動平臺當(dāng)前行走的距離:

式中i=1，2，分別表示左右輪。由此可估算任意時刻移動平臺在Y軸上的位置以及建立與掃描數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)同步。這種以切面線來近似螺旋線導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差，與激光掃描鏡頭旋轉(zhuǎn)速度和平臺移動速度有關(guān)，主要可以通過控制平臺移動速度來調(diào)整。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單，可以僅使用一個編碼器，將輸出信息經(jīng)簡單變換為在Y軸上的位移軌跡?？紤]到現(xiàn)場軌道線路的緩直度大，又是對局部隧道進(jìn)行分析，在試驗數(shù)據(jù)處理時采用的就是以上對于直線軌道線路的切面近似方法。

2.2 彎軌移動軌跡估算

在線路彎道時平臺的實際移動軌跡就不是在直線Y軸上移動，而是在{X，Y}矢量平面上移動。已研制的數(shù)據(jù)采集移動平臺在前端一根輪軸兩端分別安裝一個編碼器，通過對2個編碼器輸出脈沖的分析計算，來估算移動平臺在{X，Y}平面上的軌跡曲線，然后再對{X，Z}數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)值變換。已經(jīng)研究的2種算法有［1］近似截面形掃描算法和實際螺旋形掃描算法。前者類似于本文2.1節(jié)中的方法，只是相鄰切面間距不等，特點(diǎn)是計算量較小、近似誤差隨平臺移動速度而變;后者在任何移動速度時對掃描點(diǎn)空間位置的估算誤差小，但是計算量較大。以上方法能夠在重建的3D空間數(shù)據(jù)中表示出實際隧道彎曲度，特別適用于在制作隧道數(shù)字空間地圖方面的應(yīng)用。

2.3 3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建

應(yīng)用VC++.NET編程，將運(yùn)動掃描獲取的{X，Z}空間數(shù)據(jù)與生成的{Y}數(shù)據(jù)融合，重建為3D點(diǎn)云數(shù)據(jù){X，Y，Z}。試驗中采用的是人力移動平臺，行走距離為35 m，掃描圈數(shù)為2 500，移動速度在1 km/h左右，對數(shù)據(jù)采用直線近似切面形掃描算法完成重建。圖2是將重建后3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到法如公司SCENE軟件中生成的圖像示意。

2.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

圖2 移動掃描3D點(diǎn)云空間圖

數(shù)據(jù)質(zhì)量指激光掃描儀采集數(shù)據(jù)的完整性。由于激光掃描儀在數(shù)據(jù)采集過程中掃描射線的位置可能產(chǎn)生漂移、激光射線收發(fā)同步控制可能有隨機(jī)偏差等多種原因，理論上規(guī)定接收到的掃描點(diǎn)數(shù)可能會缺失。在試驗中對掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的方法是:①以列(column)為參數(shù)變化，檢查在該列截面上所有行數(shù)據(jù)和的丟失率;②是以行(row)為參數(shù)變化，檢查在這一行上所有列數(shù)據(jù)和的丟失率;③是求采集任務(wù)的總的數(shù)據(jù)丟失率。試驗中應(yīng)用以上3種方法對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了檢查，結(jié)果說明:激光掃描儀在起始工作10 ms內(nèi)的數(shù)據(jù)丟失率較大，在采集結(jié)束指令發(fā)送之后通常還會接收到一些額外的數(shù)據(jù);大多數(shù)丟失的數(shù)據(jù)都是發(fā)生在+Z軸附近的row0—row7，而這個區(qū)域正是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中序號開始的區(qū)域;數(shù)據(jù)整體丟失率小于2%。

2.5 數(shù)字特征分析

數(shù)據(jù)數(shù)字特征主要指在特定掃描切面上所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的最大值、最小值、平均值和方差等統(tǒng)計特征，可用于對隧道截面形狀的大致評估。數(shù)字特征的坐標(biāo)原點(diǎn)，是以安裝在移動平臺上的掃描儀中心離軌道平面的高度，和以軌距1/2為中心點(diǎn)位置來確定的。數(shù)字特征還可應(yīng)用到對同步數(shù)據(jù)的分析，移動平臺行走時的速度不均勻，就會有相鄰切面間隔值的數(shù)字特征表現(xiàn)。平臺移動速度的控制主要取決于應(yīng)用精度要求與數(shù)據(jù)采集和計算成本之間多因素的綜合。應(yīng)用到隧道截面分析的平臺移動速度可以稍快些，試驗中控制在3～5 km/h。應(yīng)用到隧道墻分析的移動速度需要慢些，試驗中宜控制在1 km/h左右。試驗還發(fā)現(xiàn)相對于電動平臺，人工平臺對速度控制比較困難，速度方差較大，對數(shù)據(jù)精度的一致性有一定影響。

3 3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用

隧道空間數(shù)據(jù)可以應(yīng)用到對隧道工務(wù)維護(hù)管理和對隧道數(shù)字地圖制作等許多領(lǐng)域。以下總結(jié)了在隧道截面分析和濕漬檢測方面的試驗情況。

3.1 隧道截面形狀分析

對隧道切面的激光掃描數(shù)據(jù)建模后自動生成截面圖［3］，可用于車載的或線下的軌道線路限界檢測處理。圖3是從試驗數(shù)據(jù)中取出的掃描行程在7.2 m時第600圈上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，近似作為相應(yīng)的隧道截面數(shù)據(jù)，在軟件Matlab屏幕上顯示?？梢娝淼阑拘螤钍枪靶?，可大概識別出關(guān)于頂部受電弓、二側(cè)電力與通信電纜以及軌道等物體的反射點(diǎn)。圖中座標(biāo)原點(diǎn)(0，0)是激光掃描鏡頭的中點(diǎn)，X1和X2分別是在同一Z高度和在X方向從原點(diǎn)到左右二邊墻面的長度。區(qū)段截面分析是對多個相鄰單截面集成的分析，可以進(jìn)一步獲知隧道的建筑形狀及其參數(shù)變化，以及識別設(shè)備安裝位置，生成的工作報告內(nèi)含信息更為豐富。

圖3 截面形狀顯示與參數(shù)分析

3.2 隧道墻面濕漬分析

3.2.1 平面展開

圖4為試驗中采用的第一種方法對采集數(shù)據(jù)中前1 000圈數(shù)據(jù)展開的平面示意圖。

圖4 展開的二維平面圖

將3D空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)展開為2D平面數(shù)據(jù)，可方便用于對墻面災(zāi)害的圖像分析?；驹硎菍γ恳粋€掃描切面，將所有相鄰掃描點(diǎn)連接后的空間弧長都序映射到X方向的直線上。一種方法是由平面幾何原理，將相鄰空間數(shù)據(jù)點(diǎn)的極坐標(biāo)曲率半徑r(m)與r(m－1)之間的夾角θ(m)，乘以r(m－1)=，來近似夾角弧長L(m)。另一種方法是由空間幾何原理，連接2個起始同一原點(diǎn)的空間矢量端點(diǎn)的第三個矢量長度可由L(m)=來近似。試驗中采用的是第一種方法對采集數(shù)據(jù)中前1 000圈數(shù)據(jù)展開為平面的示意，這種方法在墻面崎嶇不平時近似誤差較大，但是計算量較小。

3.2.2 濕漬檢測

已有研究說明，激光掃描儀反射值可以感知巖石表面的干濕程度［4］。試驗所采用的激光掃描設(shè)備的反射數(shù)值分布在0～255(單位)的范圍里，反射值大(小)說明掃描點(diǎn)反射率高(低)。以此原理，濕漬檢測可以通過確定合適的反射閥值，并對數(shù)據(jù)二值化處理的方法來識別濕漬區(qū)域。對于新建或者運(yùn)行年數(shù)不久的隧道，由于墻面底色比較干凈，相應(yīng)的識別結(jié)果比較準(zhǔn)確。但是反射率可能是多個因素(如材料硬度、潮濕度和原污跡等)的綜合作用結(jié)果，現(xiàn)場試驗進(jìn)一步說明，對運(yùn)行年數(shù)較多的地鐵隧道，由于季節(jié)性的滲水和干沽的輪回，墻面留下許多污水痕跡，激光掃描在這些區(qū)域的反射值與在真實濕漬區(qū)域的反射值二者之間很難區(qū)分。在實際工作中需要對數(shù)據(jù)采取必要的處理，包括對陳舊痕跡數(shù)據(jù)的濾波去除、對實際水跡濕漬的多閥值監(jiān)測，并結(jié)合人工現(xiàn)場判別等多種相結(jié)合的方法。由于條件限制，試驗中發(fā)現(xiàn)對陳舊隧道濕漬區(qū)域的算法識別還有待深入研究。

3.2.3 濕漬面積計算

圖5是將閥值設(shè)為190對圖4數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)值化，并結(jié)合人工識別方法確定的濕漬區(qū)域(圖中左下角2條黑色區(qū)域)平面圖像以及參數(shù)報告。其中縱向Y表示軌道方向，橫向X表示二墻面與頂面展開在同一平面上的方向。利用Matlab的Bwlabel和Regionprops等函數(shù)可計算出區(qū)域內(nèi)的二值像素個數(shù)，并得到2條濕漬區(qū)域的總面積近似為1.439 7 m2。

4 結(jié)語

本文針對已經(jīng)研制完成的運(yùn)動式激光掃描系統(tǒng)，結(jié)合上海軌道交通1號線上海南站隧道的現(xiàn)場掃描試驗，對數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用方法進(jìn)行了研究與總結(jié)。數(shù)據(jù)處理方法包括:平臺移動軌跡分析、Y軸數(shù)據(jù)重建、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)數(shù)字特征分析、以及3D空間點(diǎn)云重建，這些處理工作對數(shù)據(jù)的正確應(yīng)用是必須的和十分重要的。本文還總結(jié)了3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用于隧道的截面形狀分析和墻面濕漬檢測與濕漬計算方面的試驗結(jié)果，為運(yùn)動激光掃描空間數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用獲得了寶貴的經(jīng)驗。

［1］周民立，李新民.基于運(yùn)動激光掃描技術(shù)的鐵路隧道建筑空間數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2012，26(3):219.

［2］法如公司.法如激光掃描儀Focus 3D規(guī)范［EB/OL］.(2013－03－ 15)［2013 － 09 － 10］.http://www.faroasia.com/laserscanner.

［3］肖清華，張繼春.隧道斷面自動成圖的數(shù)學(xué)模型研究［J］.鐵道建筑，2006(9):29.

［4］宋姘，王曉琳，李洋，等.三維激光掃描技術(shù)與數(shù)碼影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)隧道圍巖信息采集應(yīng)用對比研究［J］.隧道建設(shè)，2013，33(3):197.