基于移動(dòng)激光掃描三維點(diǎn)云的隧道限界檢測(cè)方法可行性研究

李文剛 劉永華 王璐石

招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400060

隧道限界的形成是為了保證隧道內(nèi)的交通可以正常運(yùn)行，保障在一定的寬度和高度范圍內(nèi)沒有障礙物的空間限界，讓車輛以最安全的姿態(tài)運(yùn)行。這種限界為機(jī)車提供了運(yùn)行所需的空間尺度。在我國，由于軌道交通建設(shè)日益發(fā)展，隧道的建設(shè)和運(yùn)行也逐漸增多，隧道限界這一重要指標(biāo)也需要在隧道的日常運(yùn)行維護(hù)中使用。隧道限界檢測(cè)最常用的方法是斷面檢測(cè)法，有接觸式和非接觸式兩種。最開始時(shí)采用接觸式測(cè)量，通過車上裝置帶有傳感器的框架對(duì)移動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，繪制出帶有橫斷面和終端面的圖像。這種設(shè)備造價(jià)低廉，測(cè)量精度低，而且速度慢。后來經(jīng)過不斷發(fā)展，形成了更加精準(zhǔn)的隧道限界測(cè)量方式。

1 隧道限界的檢測(cè)方法

隧道限界的檢測(cè)方法有多種，不過這些方法都有一定的局限性，并不能完全滿足軌道限界檢測(cè)的要求。如近景攝影測(cè)量采用定向拍攝的方式，將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像匹配，如此能夠快速獲得隧道的三維模型，只是這種測(cè)量方法需要較高的光線需求，而隧道中的光線較差，讓此方法受到限制；全站儀配合反射棱鏡可以對(duì)隧道橫截面進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，但需要大量的人工作業(yè)而且速度很慢，采集的密度低；激光訴調(diào)斷面儀能夠直接獲取隧道斷面，但每次都只能獲得一個(gè)斷面，需要多次架站才能獲得完整數(shù)據(jù)，這對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的隧道而言耗費(fèi)過多測(cè)量時(shí)間；隧道限界檢測(cè)車隧道橫斷面的獲取速度較快，但造價(jià)過高，不能大量投入使用。

三維激光技術(shù)的提出，和以往的隧道限界測(cè)量方法相比有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：能夠適應(yīng)環(huán)境，不需過高的光線；數(shù)字特征，可直接獲得三維點(diǎn)坐標(biāo)；掃描的距離長(zhǎng)，耗時(shí)短，造價(jià)適中；可提供高精度、高密度的掃描測(cè)量，快速獲得測(cè)量數(shù)據(jù)等。

2 三維激光掃描技術(shù)的原理

在用三維激光掃描技術(shù)對(duì)隧道限界進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用專門的設(shè)備，即三維激光掃描儀對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。這種儀器在隧道中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)樣本的采集，結(jié)合相關(guān)軟件對(duì)這些樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析，形成一定的參數(shù)和影像，最后根據(jù)高效智能數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析，得到有用的坐標(biāo)和數(shù)據(jù)。其具體流程是：首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過地面三維掃描儀進(jìn)行三維掃描，控制點(diǎn)的數(shù)量并設(shè)置控制點(diǎn)標(biāo)靶；其次對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析，通過對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理，轉(zhuǎn)成絕對(duì)坐標(biāo)；最后利用隧道限界檢測(cè)軟件分析，通過設(shè)置隧道共層參數(shù)，提取隧道斷面，分析并總結(jié)限界檢測(cè)報(bào)告。

3 激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和處理

在對(duì)隧道限界的測(cè)量過程中，每個(gè)測(cè)量工程都要有足夠的采樣點(diǎn)，應(yīng)該保證兩個(gè)以上的控制點(diǎn)，并在測(cè)量中獲取相應(yīng)的控制點(diǎn)坐標(biāo)。在隧道控制點(diǎn)上方架設(shè)大靶球，整平隊(duì)中控制點(diǎn)，便于獲得其中心點(diǎn)坐標(biāo)，利于軟件在數(shù)據(jù)分析中實(shí)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。測(cè)量的方案一定要遵循國標(biāo)城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范[2]。

對(duì)隧道用水安慰激光掃描儀進(jìn)行掃描，設(shè)置相應(yīng)的分辨率和掃描間隔。例如隧道的直徑是5.2米時(shí)，掃描的間隔距離最好是15米，掃描分辨率設(shè)為1/4。另外，可在每?jī)蓚€(gè)掃描儀之間擺設(shè)多個(gè)不共線的靶球，這樣掃描儀在掃描的過程中也能夠?qū)⑦@些靶球的數(shù)據(jù)掃描下來，在后續(xù)數(shù)據(jù)分析中進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，利于坐標(biāo)的分析。

當(dāng)掃描完成后可以采集到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)將掃描到的多個(gè)靶球點(diǎn)云數(shù)據(jù)用專業(yè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行拼接，這樣就保證了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確性。此時(shí)，處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為相對(duì)坐標(biāo)，提取兩個(gè)以上的大靶球中心點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)，用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行計(jì)算處理，得到點(diǎn)云坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，這樣就能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理也得到完成。

4 對(duì)隧道限界檢測(cè)后的分析

隧道限界測(cè)量的分析在不同的應(yīng)用中有著不同的分析要求。在用隧道限界檢測(cè)軟件對(duì)隧道橫面數(shù)據(jù)提取時(shí)，可以提取相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)。如提取橫面上八等分的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，即左上點(diǎn)、左中點(diǎn)、左下點(diǎn)、右上點(diǎn)、右中點(diǎn)、右下點(diǎn)、頂板底標(biāo)高和地板頂標(biāo)高。

根據(jù)相關(guān)資料，截面控制的基礎(chǔ)是隧道中心線，中心線的數(shù)據(jù)精度十分重要，會(huì)對(duì)后期分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生直接影響。首先，要獲得隧道中心線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，及隧道的平曲線和豎曲線數(shù)據(jù)。平曲線指直線轉(zhuǎn)彎處相連的曲線；豎曲線指在縱斷面上鏈接相鄰兩條縱坡線香蕉轉(zhuǎn)折處的曲線。其次，通過隧道限界處理軟件對(duì)平曲線和豎曲線進(jìn)行解讀，分析并計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，最后得到精確的隧道中心曲線線路視圖[3]。

當(dāng)?shù)玫剿淼乐行木€后，可用隧道限界處理軟件對(duì)店面控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，以應(yīng)對(duì)不同的項(xiàng)目分析需求。進(jìn)一步生產(chǎn)隧道中心線數(shù)據(jù)，能夠?qū)孛嫖恢眠M(jìn)行設(shè)置。根據(jù)實(shí)際需求，可以對(duì)點(diǎn)云界面裁切厚度、里程范圍、隧道屬性等進(jìn)行設(shè)置。

當(dāng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析完成后，還可對(duì)分析結(jié)果輸出成專業(yè)的表格，其中包含坐標(biāo)、位置、里程、線路中心線距離、頂板底標(biāo)高、底板頂標(biāo)高等。另外，還可根據(jù)輸出的表格數(shù)據(jù)，直觀地統(tǒng)計(jì)出左側(cè)寬度差、右側(cè)寬度差、總寬度差以及誤差的差值等。

5 結(jié)束語

隧道的限界測(cè)定對(duì)運(yùn)行安全有著重要的意義，如何能夠更精準(zhǔn)有效地測(cè)量雖小限界，這給隧道的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、維護(hù)管理都帶來了可靠的檢測(cè)分析手段。而激光掃描點(diǎn)云測(cè)定技術(shù)的實(shí)行，能夠通過地面三維激光掃描儀，結(jié)合相應(yīng)的激光點(diǎn)云處理軟件和隧道限界分析處理軟件，對(duì)掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，生成隧道中心線和斷面分析，甚至可以生產(chǎn)附帶各種數(shù)據(jù)的表格。如果能夠?qū)⑦@項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到后續(xù)的隧道模型構(gòu)建和隧道挖掘等實(shí)際工作中，將會(huì)給交通建設(shè)帶來更大的福利。

參考文獻(xiàn)

[1] 滕志遠(yuǎn).大數(shù)據(jù)量機(jī)載激光點(diǎn)云快速瀏覽技術(shù)研究[D].北京:首都師范大學(xué),2011.

[2] GB50308-2008.城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3] 秦至紅,寧升安,龍兆春.BJSD-2型激光限界檢測(cè)儀在隧道施工檢測(cè)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2002,28(3):43-44.