利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法

(陜西交建公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 陜西 西安 710117)

利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法

黃正濤

(陜西交建公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 陜西 西安 710117)

本文通過(guò)對(duì)點(diǎn)云在不同坐標(biāo)面的各項(xiàng)信息進(jìn)行疊加分析，從而獲得到隧道的整體形變情況。然后將利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法同傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行比較，突出該方法的有效性以及對(duì)隧道的形變情況的直觀表達(dá)的特點(diǎn)，以期為隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法提供一定的借鑒。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)；隧道斷面；監(jiān)測(cè)方法

引言

利用三維激光掃描技術(shù)所獲得的隧道空間變形數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的特點(diǎn)，可以有效的對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)以及對(duì)施工進(jìn)行變形分析和反分析，從而完善隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，更好的指導(dǎo)信息化施工。利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度對(duì)監(jiān)測(cè)的結(jié)果影響重大，需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

一、利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法概述

在隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)中，水準(zhǔn)儀、收斂計(jì)以及GPS等常規(guī)儀器雖然能夠提供準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但也有一定的缺陷，就是對(duì)于布設(shè)在拱頂及側(cè)壁上的檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)無(wú)法取得，另外，由于采用傳統(tǒng)儀器獲得的數(shù)據(jù)比較離散和稀疏，因而很難對(duì)隧道的整體形變趨勢(shì)做出及時(shí)有效的反映。針對(duì)此問(wèn)題，在進(jìn)行利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)時(shí)，需要積極采用三維激光掃描方法來(lái)確保隧道斷面的整體變化趨勢(shì)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。本文對(duì)采用三維激光掃描技術(shù)所獲得的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，并且對(duì)獲得有效的隧道橫斷面方法進(jìn)行詳細(xì)的分析，確保進(jìn)一步構(gòu)建檢測(cè)對(duì)象的空間表面模型的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)隧道斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而通過(guò)對(duì)比得出隧道斷面的形變趨勢(shì)及變化規(guī)律。

隨著我國(guó)建筑工程的不斷發(fā)展，利用三維激光掃描儀進(jìn)行隧道的形變監(jiān)測(cè)是一條必由之路，已經(jīng)引起了行業(yè)的特別重視，各種有效的利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法不斷出現(xiàn)，針對(duì)其中各詳細(xì)分支的研究也更為細(xì)致。例如為提升激光點(diǎn)云分割質(zhì)量而對(duì)隨機(jī)抽樣進(jìn)行改進(jìn)的一致性算法；在進(jìn)行濾波的同時(shí)還保持了地物細(xì)節(jié)特征的點(diǎn)云強(qiáng)度三維擴(kuò)散濾波方程，以及針對(duì)多個(gè)曲面的高程進(jìn)行對(duì)比而形成的三次多項(xiàng)式插值曲面擬合方法，繪制隧道縱橫斷面圖等，都是對(duì)利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法的有效支持。

二、基于曲線擬合的隧道斷面提取方法

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取

點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)不同的測(cè)量原理，一般分為根據(jù)激光測(cè)量原理得到的點(diǎn)云和根據(jù)攝影測(cè)量原理得到的點(diǎn)云，二者都包含必要的三維坐標(biāo)，區(qū)別在于前者需要對(duì)激光反射強(qiáng)度進(jìn)行分析，后者是對(duì)顏色信息進(jìn)行分析。并且根據(jù)點(diǎn)數(shù)量以及點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距區(qū)分為稀疏點(diǎn)云和密集點(diǎn)云。隧道工程一般都是一種狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，有著嚴(yán)格的施工安全步距，采用三維激光掃面議進(jìn)行點(diǎn)云掃描，受掃描距離的影響是很大的，通常為獲取充足的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確保隧道工程的安全性，監(jiān)測(cè)站所進(jìn)行監(jiān)測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常都是將范圍控制在幾十米，盡可能的降低特殊隧道構(gòu)造產(chǎn)生的特殊問(wèn)題對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。采用過(guò)這種分段式的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，需要各個(gè)階段間具備一定的重合才能保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)及可靠。也就是說(shuō)，在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取時(shí)，一定要保證每?jī)蓚€(gè)監(jiān)測(cè)站之間必須存在一定規(guī)模的公共部分，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷流。施工單位可以通過(guò)中線來(lái)顯示出整個(gè)隧道的整體走向，選擇隧道任意一段區(qū)間來(lái)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將該范圍內(nèi)投影后得到的點(diǎn)云在儀器的橫向及縱向掃描面方向上的最大值和最小值，求出其中的平均值，然后運(yùn)用二次曲線對(duì)所得到的平均值進(jìn)行擬合，從而實(shí)現(xiàn)獲得掃描平面上的中線方程。

（二）構(gòu)建隧道斷面

構(gòu)建隧道斷面是利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法的重要環(huán)節(jié)，也是選擇形變監(jiān)測(cè)方法的重要依據(jù)。需要在隧道中線上選擇某一點(diǎn)，并將該點(diǎn)與其鄰域點(diǎn)進(jìn)行綜合計(jì)算，確保兩點(diǎn)的關(guān)系滿(mǎn)足曲線方程，從而以此點(diǎn)的切向量來(lái)構(gòu)建關(guān)于該點(diǎn)的隧道斷面。本文將隧道內(nèi)壁單位間隔內(nèi)的點(diǎn)視認(rèn)為處于同一平面，以此作為依據(jù)賴(lài)構(gòu)建對(duì)到橫斷面的輪廓線。

三、基于多期斷面疊加分析的隧道形變動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

（一）點(diǎn)云濾波和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于隧道工程的復(fù)雜性，在進(jìn)行原始激光點(diǎn)云分析時(shí)，通常會(huì)有注漿孔、電纜及螺栓等附著物在隧道斷面上形成點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)造成一定的影響，需要在構(gòu)建隧道斷面前予以排除。本文論述中，將隧道的橫截面視為一個(gè)橢圓形，以此來(lái)對(duì)分割后的各區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云進(jìn)行擬合，并通過(guò)平差模型的結(jié)算來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，這種方法被稱(chēng)為橢圓柱面擬合濾波方法，是一種常見(jiàn)的濾波方法。

激光點(diǎn)云坐標(biāo)實(shí)際上是一種自定義空間形成的空間三維直角坐標(biāo)系，需要將理論數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為實(shí)際的施工坐標(biāo)系。本文在這個(gè)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中采取攝影測(cè)量的方法，以直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將點(diǎn)云中的所有點(diǎn)全部轉(zhuǎn)換到實(shí)際的施工坐標(biāo)系中。

（二）斷面變化自動(dòng)檢測(cè)方法

采用斷面變化自動(dòng)檢測(cè)方法，需要事先設(shè)定出一個(gè)間隔數(shù)值，在每個(gè)間隔處設(shè)置一個(gè)點(diǎn)，在其中選取任意一個(gè)點(diǎn)，以此點(diǎn)作為中心來(lái)截取一定厚度斷面的離散點(diǎn)集，在此點(diǎn)的前后各設(shè)置一個(gè)點(diǎn)；并在此隧道斷面上的各個(gè)點(diǎn)為中心，確定一個(gè)固定的角度去對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行搜索，并將這些點(diǎn)的坐標(biāo)信息進(jìn)行保存。在搜索期間，任何一個(gè)角度內(nèi)未搜索到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，那么就需要對(duì)相鄰的區(qū)域內(nèi)的各離散點(diǎn)進(jìn)行局部的曲線擬合，進(jìn)行內(nèi)插，從而得出該方向上應(yīng)該對(duì)應(yīng)的實(shí)際斷面點(diǎn)坐標(biāo)。將兩期的點(diǎn)云位置的坐標(biāo)值采用不同顏色進(jìn)行標(biāo)注，一旦離散點(diǎn)集內(nèi)的變形點(diǎn)超過(guò)設(shè)定值，就可以判定此區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)形變區(qū)域。

（三）基于極坐標(biāo)的斷面形變分析方法

在利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)時(shí)，可以對(duì)多起提取的斷面進(jìn)行自動(dòng)變化監(jiān)測(cè)，將變形量較大的離散點(diǎn)集篩選出，并對(duì)其進(jìn)行投影以及斷面輪廓線的擬合，最后選取極坐標(biāo)法來(lái)對(duì)斷面進(jìn)行形變分析。采用這種方法，首選需要在斷面所在的平面內(nèi)進(jìn)行投影的計(jì)算，其次將斷面的輪廓線進(jìn)行擬合，最后進(jìn)行斷面形變分析。采用此方法需要注意的是，在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，由于存在障礙物遮擋及隧道空間掃描角度等客觀因素的限制，掃描結(jié)果很容易出現(xiàn)點(diǎn)云空洞，因此在進(jìn)行斷面輪廓線擬合時(shí)，要充分的利用橢圓擬合法，將橢圓中心與斷面中心的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行工程計(jì)算，確保隧道斷面的輪廓線能夠同時(shí)滿(mǎn)足這兩種曲線的方程要求。另外還需要注意的是，在進(jìn)行斷面形變分析時(shí)，需要對(duì)隧道不同時(shí)期的相同位置的斷面進(jìn)行構(gòu)建，將數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加然后采用極坐標(biāo)法，將數(shù)據(jù)進(jìn)行形變分析，得到的結(jié)果就是這段時(shí)間內(nèi)隧道在空間上的位移變化量。而通過(guò)對(duì)隧道斷面在某一監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的位移的變化量的繪制，可以更為直觀的將隧道斷面的形變趨勢(shì)表現(xiàn)出來(lái)。

結(jié)語(yǔ)

利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法，是有效提升隧道施工的重要方法，并提升施工整體的質(zhì)量和安全，確保工期內(nèi)完工。在實(shí)際工作中，由于隧道地質(zhì)的復(fù)雜性，新的問(wèn)題及新的挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)；同時(shí)由于利用點(diǎn)云構(gòu)建隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法所獲得的資源有限，測(cè)量時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，需要施工團(tuán)隊(duì)積極吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)隧道斷面的形變監(jiān)測(cè)方法不斷進(jìn)行技術(shù)革新，進(jìn)而提升形變監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，更高的為隧道工程建設(shè)提供有效的支持。

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1007-6344（2017）08-0314-01