工程隧洞斷面測(cè)繪的改進(jìn)方法研究

王斐祺（佛山市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 佛山）

工程隧洞斷面測(cè)繪的改進(jìn)方法研究

王斐祺（佛山市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 佛山）

傳統(tǒng)的隧洞斷面測(cè)繪方法中，數(shù)據(jù)采集和斷面繪圖方式的程序較為復(fù)雜，導(dǎo)致工作量大、工作效率低，且對(duì)沒(méi)有進(jìn)過(guò)襯砌的隧洞來(lái)說(shuō)，具有很大的危險(xiǎn)。因此，對(duì)工程隧洞的斷面測(cè)繪方法進(jìn)行改進(jìn)是十分必要的。本文簡(jiǎn)要介紹了隧洞橫斷面的特點(diǎn)和測(cè)量的困難，隧洞工程中施工控制點(diǎn)的布設(shè)問(wèn)題，最后總結(jié)了免棱鏡全站儀測(cè)量、AMT.3000斷面儀、CASS6.0配合免棱鏡全站儀、利用圖像處理的4種隧洞斷面測(cè)量改進(jìn)方法。

隧洞；斷面測(cè)繪；改進(jìn)方法

斷面測(cè)繪工作是隧洞工程中非常重要的環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的斷面測(cè)繪作業(yè)方式，具有外業(yè)測(cè)量程序復(fù)雜、定位的精度較低，內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理工作任務(wù)量龐大、效率也很低，歸其主要問(wèn)題是傳統(tǒng)的測(cè)繪方法和對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析工作存在很大的局限性。因此，為了提升該工作的工作效率和最終的精確度，必須結(jié)合先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器對(duì)測(cè)量的方式進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)提高繪圖和數(shù)據(jù)分析的效率。

1 隧洞橫斷面的特點(diǎn)和測(cè)量的困難

隧洞斷面主要有兩大特點(diǎn)，其一是形狀的多元化，第二是面積比較大。隧洞的這些特點(diǎn)給傳統(tǒng)的斷面測(cè)繪方法造成了困擾，導(dǎo)致有些不能測(cè)量，像使用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀或經(jīng)緯儀的測(cè)量方法不能對(duì)某些疏導(dǎo)洞的斷面進(jìn)行測(cè)繪。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量?jī)x在隧洞斷面測(cè)量上被廣泛使用，但其仍然存在某些局限性：①內(nèi)部作業(yè)仍然使用手工方法對(duì)斷面進(jìn)行繪制；②棱鏡的放置位置不會(huì)在同一個(gè)斷面，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的誤差；③棱鏡的放置位置不易選取，尤其是面積比較大的隧洞，經(jīng)常借助吊車等機(jī)械設(shè)備。

2 GPS布設(shè)隧洞工程控制網(wǎng)

隧洞工程控制網(wǎng)的建立與其它工程的基本類似，通常設(shè)為獨(dú)立網(wǎng)形式。主要依據(jù)是隧洞的環(huán)境/地形條件、自身的長(zhǎng)度、現(xiàn)有的儀器設(shè)備以及規(guī)定的貫通誤差等。

通過(guò)GPS定位技術(shù)建設(shè)隧洞的平面控制網(wǎng)具有很多優(yōu)勢(shì)：①建立網(wǎng)的效率比較高，與三角網(wǎng)相比，觀測(cè)工作可提高5～10倍；②GPS網(wǎng)對(duì)圖形夾角或條件要求較低，選布點(diǎn)間距和點(diǎn)位較為隨意，僅僅在隧洞口處布設(shè)可以互相通視的控制點(diǎn)即可；③計(jì)算、檢查的工作量比三角網(wǎng)降低很多，并且極易符合規(guī)范的要求；④不管隧洞長(zhǎng)短，均可應(yīng)用，適用的范圍較廣。

3 隧洞斷面測(cè)量改進(jìn)方法的研究

3.1 采用免棱鏡全站儀測(cè)量，并使用Excel、AutoCAD軟件繪制斷面圖

3.1.1 數(shù)據(jù)收集的方法

數(shù)據(jù)收集主要是通過(guò)激光的方式進(jìn)行，采用坐標(biāo)系進(jìn)行定位，X軸是隧洞的洞室軸線，原點(diǎn)是洞室軸線的起始點(diǎn)。

3.1.2 繪制斷面圖

在對(duì)實(shí)地的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量后，將全站儀連接在計(jì)算機(jī)上，打開全站儀辦公軟件，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表中。斷面圖體現(xiàn)的是垂直洞室軸線的二維的平面，即Y值和H值。因此，在隧洞斷面的Y值很相似時(shí)候，應(yīng)依照樁號(hào)把每個(gè)斷面的Y值的固定系數(shù)進(jìn)行遞增產(chǎn)生斷面間距，但是應(yīng)該保持同一斷面不同點(diǎn)Y值所加的數(shù)值相同，避免在自動(dòng)繪制斷面圖時(shí)出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象（見圖1）。

圖1 繪制的斷面圖

3.1.3 該方法的優(yōu)點(diǎn)

綜合來(lái)看，上述方法是一種可行使用、作業(yè)效率高的隧洞斷面測(cè)繪的方法。

其優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)為：①利用AutoCAD進(jìn)行自動(dòng)繪制斷面圖，解決了手工繪圖的麻煩，降低了內(nèi)業(yè)工作任務(wù)；②提高了外業(yè)作業(yè)時(shí)的定位準(zhǔn)確度，應(yīng)用先進(jìn)的電子設(shè)備，使測(cè)量程序簡(jiǎn)單化，通常只需2名外業(yè)測(cè)量工作人員；③所測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的直觀性，不用進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，也簡(jiǎn)化了計(jì)算的過(guò)程。對(duì)該方法在實(shí)際應(yīng)用中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該方法提高了40%左右的工作效率[1]。

3.2 AMT.3000斷面儀的應(yīng)用

3.2.1 AMT.3000斷面儀工作原理

AMT.3000斷面儀是電子測(cè)量?jī)x與激光測(cè)距的有機(jī)結(jié)合。使用AMT.3000斷面儀可以將測(cè)量的數(shù)據(jù)直接存入內(nèi)存，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。其測(cè)距原理簡(jiǎn)單，即激光照射到斷面后，便可測(cè)量出距離。它可以在斷面的水平方向360°自由旋轉(zhuǎn)，能夠隨時(shí)改變測(cè)量的密度。

3.2.2 AMT.3000的作業(yè)方式

主要分為以下三步：

（1）定位，即選取斷面儀的安置地點(diǎn)。一般情形下，將斷面儀安裝在已知地點(diǎn)，并在該地點(diǎn)放置好棱鏡，測(cè)量三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)將自動(dòng)計(jì)入內(nèi)存。

（2）啟動(dòng)斷面儀。安置好斷面儀后，依照菜單的提示進(jìn)行操作，將斷面儀啟動(dòng)后便會(huì)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量工作。其外業(yè)工作是通過(guò)Husky手持測(cè)量計(jì)算機(jī)的Tun軟件控制的。

（3）數(shù)據(jù)分析和斷面圖繪制。把記入斷面儀內(nèi)存的定位和測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后，應(yīng)用AMT.3000 profiler軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通常采用交互式、人機(jī)對(duì)話和自動(dòng)分析三種方式。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將自動(dòng)繪制斷面圖[2]。

3.3 CASS6.0配合免棱鏡全站儀

3.3.1 隧洞斷面數(shù)據(jù)的采集

它采用的斷面編碼方式的數(shù)據(jù)采集方法。隧洞斷面是封閉的，其具體要求有：①進(jìn)行測(cè)量的站點(diǎn)應(yīng)該架設(shè)在隧洞的中線上，而在輸入坐標(biāo)時(shí)，高程值輸入的是測(cè)站位置到設(shè)計(jì)斷面高的相對(duì)值；②進(jìn)行踩點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該在隧洞前進(jìn)方向上、左邊底端能測(cè)到的第一個(gè)點(diǎn)，順序性的向上進(jìn)行，需要記錄每點(diǎn)的編碼n（即斷面的序號(hào)），最大程度地密集測(cè)量，天頂距點(diǎn)的編碼mn；再將望遠(yuǎn)鏡在水平方向上旋轉(zhuǎn)180°，從接近天頂距的右邊的第一個(gè)可測(cè)量點(diǎn)一次向下進(jìn)行測(cè)量，最后一點(diǎn)是右邊最底端可以看見的一點(diǎn)，到此結(jié)束全斷面的采點(diǎn)。

3.3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理

（1）測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸。與上述方法不同的是，它是帶有編碼的，在完成數(shù)據(jù)的傳輸后，還要重新確定編碼和點(diǎn)的順序是否有誤。其基本步驟是：在進(jìn)行點(diǎn)擊菜單“工程應(yīng)用”—“生成里程文件”—“由坐標(biāo)文件生成”操作后，電腦會(huì)彈出查找數(shù)據(jù)文件的對(duì)話框，查找并點(diǎn)擊導(dǎo)入的文件，輸入新的文件名并保存，在出現(xiàn)的命令欄中選擇（2）按出現(xiàn)順序，便會(huì)完成斷面轉(zhuǎn)化。

（2）繪制隧洞斷面圖。隧洞斷面圖有兩種生成途徑：①設(shè)計(jì)參數(shù)輸入的方法；②選取已經(jīng)存在的設(shè)計(jì)線，前者實(shí)現(xiàn)比較困難，后者比較實(shí)用。其基本步驟是：點(diǎn)擊“工程應(yīng)用”—“隧道斷面土方計(jì)算”—“繪斷面圖”，在出現(xiàn)的對(duì)話框里選擇“選擇里程文件”里剛剛導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件即可[3]。

3.4 利用圖像處理實(shí)現(xiàn)隧洞斷面測(cè)量

3.4.1 基本思想

要對(duì)隧洞斷面進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，就必須把隧洞斷面邊緣信息導(dǎo)入相關(guān)的系統(tǒng)中。而在真實(shí)的項(xiàng)目施工中，隧洞斷面很大區(qū)域的光線較弱，而且邊緣特征不顯著。此時(shí)，通過(guò)輝光器的作用使隧洞邊緣加亮，且輸入的圖像邊緣較明顯，再利用拉普拉斯算子模板實(shí)施檢測(cè)。

在圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)后，把它進(jìn)行細(xì)化處理，并進(jìn)行曲線擬合，生成可以對(duì)面積進(jìn)行計(jì)算的環(huán)狀的有向離散點(diǎn)陣。此處，將簡(jiǎn)要介紹對(duì)環(huán)狀細(xì)化圖形進(jìn)行擬合的方法。首先，上述的點(diǎn)陣應(yīng)該有與之對(duì)應(yīng)的邏輯中點(diǎn)，以此點(diǎn)為界，把屏幕分成12個(gè)部分，把各個(gè)部分的數(shù)據(jù)點(diǎn)都設(shè)置成水平方向，對(duì)其進(jìn)行曲線擬合，再把擬合結(jié)果調(diào)至原先的方向，則生成由離散點(diǎn)陣構(gòu)成的有向環(huán)。

在上述的不同區(qū)域中，編碼的旋轉(zhuǎn)公式是不同的。使所有區(qū)域呈現(xiàn)逆時(shí)針的排列，并把縱坐標(biāo)軸作為角分線，縱坐標(biāo)軸正向的區(qū)域視為第一區(qū)域，旋轉(zhuǎn)公式通常通常為：

之后再對(duì)其進(jìn)行曲線擬合并把結(jié)果還原。

3.4.2 實(shí)現(xiàn)步驟

在該方法中，隧洞斷面的測(cè)量系統(tǒng)是利用Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行編寫的，而計(jì)算系統(tǒng)是通過(guò)Fortran和Visual C++語(yǔ)言編程的，測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸是由動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)行的。其基本步驟主要有以下幾步：①通過(guò)相機(jī)進(jìn)行圖像的輸入；②把圖像導(dǎo)入圖像處理系統(tǒng)，并明確坐標(biāo)點(diǎn)和比例尺；③對(duì)圖像進(jìn)行的面積進(jìn)行處理和曲線擬合；④導(dǎo)入斷面的大小，明確標(biāo)準(zhǔn)高程值，計(jì)算斷面面積值；⑤把曲線離散轉(zhuǎn)變成逆向離散數(shù)據(jù)點(diǎn)陣；⑥計(jì)算所有斷面，并把結(jié)果儲(chǔ)存到磁盤文件；⑦以表格或圖形方式輸出數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.4.3 實(shí)例介紹

通過(guò)上述方法對(duì)某隧洞進(jìn)行的實(shí)地測(cè)量，表1是上述方法測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，和計(jì)算出的誤差。可以看出，經(jīng)過(guò)隧洞斷面測(cè)量系統(tǒng)處理后的結(jié)果是能夠滿足工程施工所要求精度的。

表1 測(cè)量結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)帶動(dòng)了測(cè)繪工程的發(fā)展，為其提供了快速、安全、有效的測(cè)量方法，取得了良好的效果。但是，隧洞情況不一，在測(cè)量過(guò)程中要選擇合理有效的方法，并結(jié)合使用，必將發(fā)揮更大的作用。

[1]彭勇剛，曹必正.工程隧洞斷面測(cè)繪的一種改進(jìn)方法[J].西北水電，2006，02：12～13.

[2]郝亞?wèn)|，李智祥，郭朝亮.利用AMT.3000斷面儀進(jìn)行隧洞的橫斷面測(cè)量[J].城市勘測(cè)，2004，04：41～44.

[3]宋秉元.南方CASS6.0配合免棱鏡全站儀在隧洞斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，01：78～79.

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2016-7-12