基于三維激光掃描的隧道變形監(jiān)測(cè)方法研究

唐 琨，戴 鑫，黃祖登

（1.天津市測(cè)繪院，天津 300381）

基于三維激光掃描的隧道變形監(jiān)測(cè)方法研究

唐 琨1，戴 鑫1，黃祖登1

（1.天津市測(cè)繪院，天津 300381）

對(duì)隧道變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了研究，提出一種通過中軸線上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)偏移的方法提取變形量，用區(qū)段擬合方法提取中軸線節(jié)點(diǎn)；給出了利用三維激光掃描進(jìn)行隧道變形監(jiān)測(cè)的實(shí)施步驟。實(shí)驗(yàn)分析表明，該方法切實(shí)可行，滿足變形監(jiān)測(cè)的精度要求。

三維激光掃描；隧道變形監(jiān)測(cè)；區(qū)段擬合

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量。該技術(shù)通過掃描可以快速獲取高密度、高精度、大范圍的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)，其掃描速度可達(dá)數(shù)萬點(diǎn)每秒。

傳統(tǒng)的隧道變形監(jiān)測(cè)，一般采用掛鋼尺抄平和鋼尺式收斂計(jì)等接觸方式進(jìn)行，雖然操作簡(jiǎn)單，但工作量大且無法進(jìn)行三維觀測(cè)。非接觸三維測(cè)量以測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)為主，雖然可提供三維坐標(biāo)，但仍局限于單點(diǎn)測(cè)量，無法快速獲取整體變形信息[1]。本文研究基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的隧道變形監(jiān)測(cè)方法，用斷面中心偏移方法提取變形信息。

1 提取方法

在隧道變形監(jiān)測(cè)中，變形信息的提取是關(guān)鍵。本文思路如下：①對(duì)隧道整體或局部進(jìn)行三維激光掃描，確定合適的基準(zhǔn)面，并以合適的厚度、間距對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行橫斷面切片處理，提取斷面點(diǎn)云中心；②通過對(duì)多期隧道掃描數(shù)據(jù)中相同位置處的斷面中心進(jìn)行坐標(biāo)比較，提取變形信息。

為準(zhǔn)確提取橫斷面中心，本文提出了區(qū)段擬合法，其思路為：將斷面切片點(diǎn)云按一定的規(guī)則分為若干區(qū)段，分別擬合獲取各區(qū)段點(diǎn)云中心，再由各區(qū)段點(diǎn)云中心擬合得到該斷面中心。具體步驟如下：

1）計(jì)算假中心點(diǎn)，建立坐標(biāo)系。將斷面點(diǎn)云投影于YOZ平面，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重心擬合，計(jì)算得到斷面假中心點(diǎn)O'，以O(shè)'為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系。

2）截取區(qū)段點(diǎn)云。以合適截取角度?，按順時(shí)針方向截?。?，?），（?，2?），…，（n?-?，n?）各區(qū)段內(nèi)點(diǎn)云，其中n=360°/?。

3）獲取區(qū)段點(diǎn)云中心。設(shè)置閾值q，若某區(qū)段內(nèi)點(diǎn)云數(shù)量Pm（m∈N，1≤m≤n）大于q，則重心擬合獲取該區(qū)段中心Om；若Pm小于閾值q，說明該處點(diǎn)云存在空洞，則由相鄰區(qū)段Om-1、Om+1中心擬合得到該區(qū)段中心，Om=（Om-1+Om+1）/2。

4）獲取斷面點(diǎn)云中心。對(duì)n個(gè)區(qū)段中心進(jìn)行重心擬合，得到該橫斷面點(diǎn)云的中心O，O=（O1+ O2+…+On）/n。

由于掃描獲取的原始點(diǎn)云坐標(biāo)基于激光掃描儀的測(cè)量坐標(biāo)系，而截取區(qū)段過程中采用的是極坐標(biāo)，因此，需要先進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。具體計(jì)算過程如下：

1）在測(cè)量坐標(biāo)系中，假中心點(diǎn)O'三維坐標(biāo)為（x0，y0，z0），點(diǎn)云中任一點(diǎn)P三維坐標(biāo)為 （x，y，z），則在YOZ平面的投影坐標(biāo)為（y，z）。

2）測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系。在以O(shè)'為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系O'-yz中，O'坐標(biāo)為（y，z），平移向量為a=（-y0，-z0），因此，點(diǎn)P在O'-yz中坐標(biāo)為（y-y0，y-z0）。

3）直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系。在以O(shè)'為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系O'（ρ，θ）中，由y=ρcosθ，z=ρsinθ，其中解得點(diǎn)P在極坐標(biāo)系O' （ρ， θ）中的坐標(biāo)為

本文首先引入電機(jī)輸入電能與機(jī)器人機(jī)械能兩個(gè)能耗指標(biāo)，將這兩個(gè)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行不同拾放軌跡的參數(shù)優(yōu)化仿真，并在樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；然后通過不同的最優(yōu)參數(shù)軌跡的數(shù)據(jù)求出能耗值，得出具有Bang-bang速度分配方式的分段多項(xiàng)式曲線為最優(yōu)拾放軌跡；最后通過不同拾放點(diǎn)與不同軌跡周期試驗(yàn)，展現(xiàn)出最優(yōu)軌跡具有空間與時(shí)間上的可重復(fù)性，對(duì)不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高速拾放操作具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。本文為機(jī)器人軌跡的能耗比較提供了可參考的方法。

2 實(shí)施步驟

1）布設(shè)測(cè)站。針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)地環(huán)境，在保證各測(cè)站間有點(diǎn)云重疊[2,3]，且掃描能涵蓋目標(biāo)物的前提下，盡量少布設(shè)測(cè)站。

2）布設(shè)標(biāo)靶。在隧道合適位置布設(shè)標(biāo)靶作為數(shù)據(jù)后處理過程中點(diǎn)云配準(zhǔn)的參考信息，并確定斷面截取基準(zhǔn)面。

3）采集數(shù)據(jù)。選擇合適的三維激光掃描儀對(duì)隧道進(jìn)行掃描，采集三維數(shù)據(jù)。為提高精度，可在多期掃描過程中選取相同的測(cè)站，并將掃描儀放置于相同的控制點(diǎn)。

4）數(shù)據(jù)處理。對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行裁剪、去噪，并將各站點(diǎn)云配準(zhǔn)鏈接后，以適宜厚度、間距對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面切片處理，并采用區(qū)段擬合方法提取斷面中心。

3 實(shí)驗(yàn)分析

使用Riegle+Z420i三維激光掃描儀對(duì)某電纜隧道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，于2012-12-06、2013-04-19進(jìn)行兩次掃描。如圖1所示，該段實(shí)驗(yàn)隧道為長(zhǎng)約50 m，直徑約3 m的矩形隧道，分別在隧道的15 m、35 m處布設(shè)控制點(diǎn)并架設(shè)掃描儀。同時(shí)在隧道中段25 m處布設(shè)固定點(diǎn)并架設(shè)4個(gè)粘有圓形標(biāo)靶的棱鏡[4]，作為點(diǎn)云配準(zhǔn)以及斷面基準(zhǔn)，如圖2所示。設(shè)置隧道掃描分辨率3 mm×3 mm，并以1 mm×1 mm分辨率對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行精掃。第一次掃描獲得104 343 726個(gè)點(diǎn)，第二次掃描獲得103 726 871個(gè)點(diǎn)。

圖1 隧道掃描實(shí)驗(yàn)

圖2 布設(shè)掃描標(biāo)靶

3.1 數(shù)據(jù)處理

使用RiSCAN-PRO軟件對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行裁剪、去噪處理[5]，剔除電燈、人員等噪聲數(shù)據(jù)，并采用四元數(shù)算法[6,7]對(duì)各測(cè)站點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，得到的隧道點(diǎn)云如圖3所示。采用Realworks軟件的“Cutting Plane Tool”工具對(duì)隧道點(diǎn)云進(jìn)行斷面切片處理，以固定標(biāo)靶位置為基準(zhǔn)面，以10 cm厚度、50 cm間距截取切片點(diǎn)云，得到有效橫斷面91個(gè)。某層切片點(diǎn)云如圖4所示。

圖3 處理后隧道點(diǎn)云

圖4 處理后隧道點(diǎn)云

采用區(qū)段擬合方法對(duì)91個(gè)斷面切片點(diǎn)云進(jìn)行處理，提取斷面中心，設(shè)置截取角度為3°，每個(gè)斷面得到120個(gè)點(diǎn)云區(qū)段，每個(gè)區(qū)段包含約90個(gè)點(diǎn)，分別進(jìn)行重心擬合得到區(qū)段中心，再由所有區(qū)段中心擬合得到斷面中心。

3.2 變形信息提取與分析

對(duì)前后兩期掃描中得到的隧道斷面中心坐標(biāo)分別在X、Y、Z 3個(gè)方向上進(jìn)行差值比較，可知在Z方向體現(xiàn)為沉降變形，在X、Y方向表現(xiàn)為水平變形。結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 橫斷面Z方向坐標(biāo)差值

圖6 橫斷面X方向坐標(biāo)差值

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10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.030

2014-07-02。