三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用分析

趙彥軍 楊 鋒 稅廣通

甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 甘肅 蘭州 730000

在信息時(shí)代,三維激光掃描能夠?yàn)榈罔F隧道變形監(jiān)測工作提供完善的點(diǎn)云數(shù)據(jù),測量精度和數(shù)據(jù)采集效率極高,耗費(fèi)成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全站儀,能夠克服傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺陷與不足,滿足地鐵隧道變形監(jiān)測工作的要求。本文將簡單介紹三維激光掃描儀的組成結(jié)構(gòu)與工作流程,并以西安地鐵四號線為例論述三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用方案。

一、三維激光掃描儀的組成結(jié)構(gòu)與工作流程

三維激光掃描儀的核心處理軟件主要包括Point cloud、Polywoeks和Leica Cyclone,這三種軟件均適用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、建模和處理工作。在地鐵隧道變形監(jiān)測中,三維激光掃描儀能夠做好點(diǎn)云配準(zhǔn)工作,提取斷面,對斷面進(jìn)行對比分析,并不斷優(yōu)化斷面收斂與變形分析工作。從總體上分析,三維激光掃描儀可分為兩大系統(tǒng),即斷面提取系統(tǒng)和隧道變形分析系統(tǒng)。其中,斷面提取系統(tǒng)由導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(包括里程和設(shè)計(jì)斷面半徑)、導(dǎo)入原始點(diǎn)云、點(diǎn)云預(yù)處理、導(dǎo)入全站儀測量數(shù)據(jù)組成,該系統(tǒng)能夠處理好點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作、斷面處理工作,并生成不同斷面測量點(diǎn)文件;隧道變形分析系統(tǒng)能夠?qū)氩煌瑪嗝鏈y量點(diǎn)的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)斷面圓環(huán)擬合,對比分析設(shè)計(jì)半徑和二期相同處斷面。

其次,當(dāng)代三維激光掃描系統(tǒng)主要依托于Matlab平臺,對地鐵隧道變形監(jiān)測中三維激光掃描收集的數(shù)據(jù)予以點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,主要工作流程如下:

第一,實(shí)施點(diǎn)云數(shù)據(jù)初期處理。在此工作中,三維激光掃描系統(tǒng)首先要依次剔除激光的反射光束、各種工作噪音和隧道管線,然后對隧道壁中的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云處理。

第二,做好點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作。進(jìn)入此階段以后,工作人員要做好各站掃描坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換工作,然后對后面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。

第三,做好斷面處理工作。在此過程中,工作人員要設(shè)置好間隔,精心提取斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后運(yùn)用最小二乘法擬合隧道的中心軸線。

第四,分析隧道變形。在此階段,工作人員要精心擬合各斷面的測量點(diǎn)數(shù)據(jù)(注意使用圓環(huán)擬合法),然后,對比設(shè)計(jì)半徑,接著對比分析相同位置的多期收斂性變形。

第五,確保數(shù)據(jù)輸出質(zhì)量。工作人員要綜合使用圖形方式和文本方式正確輸出斷面處理結(jié)果。

另外,工作人員要注意優(yōu)化地鐵隧道變形監(jiān)測方案,處理好內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作,這兩項(xiàng)工作流程合在一起,可以將順序概括為:全面測量,為各站點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)棱鏡坐標(biāo)和一個(gè)靶球,用三維激光掃描隧道,實(shí)施各測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,運(yùn)用三維激光掃描數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行斷面分析與處理,輸出報(bào)表,做好斷面擬合,分析設(shè)計(jì)半徑和隧道收斂變形。

二、三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用方案

(一)采集隧道之中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

西安地鐵四號線從2018年2月開始采用三維激光掃描開展地鐵隧道變形監(jiān)測工作,并全面采集了兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在工作中,采集數(shù)據(jù)所使用的核心儀器是FARO Laser Scanner Focus3DX120,該儀器的掃描距離遠(yuǎn)達(dá)120米,測量誤差也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全站儀,大約在＋2mm,波長為905納米,掃描的市場范圍運(yùn)算以垂直×水平的計(jì)算方式為主,通常是305×306。

此外,在地鐵隧道變形監(jiān)測工作中,FARO掃描儀原本無法獨(dú)自完成定位定向工作,各站的掃描數(shù)據(jù)信息也是相互獨(dú)立的。因此,要將所有數(shù)據(jù)信息配準(zhǔn)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系之下,并在現(xiàn)場設(shè)置好靶球,為公共部分布置兩站的數(shù)據(jù),以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。而且,西安地鐵四號線的數(shù)據(jù)采集工作是用兩個(gè)棱鏡來進(jìn)行定位基座,并運(yùn)用一個(gè)球形棱鏡予以組合。

(二)運(yùn)用三維激光掃描處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)

從總體視角來講,三維激光掃描所獲取的數(shù)據(jù)信息量非常多,并不利于監(jiān)測分析工作。因此,要科學(xué)使用三維激光掃描處理點(diǎn)云數(shù)據(jù),控制好誤差與離散效應(yīng)的不利影響。需要注意的是,通常在離散之后, 接收器就會收到無數(shù)雜亂的光束,而這些光束會經(jīng)過反射來加劇負(fù)面影響,滋生冗余數(shù)據(jù)。對此,要借助三維激光掃描清除冗余數(shù)據(jù),確保監(jiān)測結(jié)果的精度。

(三)用三維激光掃描實(shí)施點(diǎn)云配準(zhǔn)用三維激光掃描處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)是一項(xiàng)任務(wù)量極為龐大的工作,因此,在執(zhí)行該項(xiàng)工作的同時(shí)要做好點(diǎn)云配準(zhǔn)工作。首先,要明確點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定位定向,將所有的數(shù)據(jù)信息歸納到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系之下,并運(yùn)用三維激光掃描儀來完善坐標(biāo)系統(tǒng)。其次,要盡快準(zhǔn)確完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)與測量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換工作,簡化內(nèi)業(yè)拼接流程,提升全站儀和三維激光掃描儀的互補(bǔ)作用。另外,要精確識別靶心,提取斷面,做好變形分析。西安地鐵四號線就是運(yùn)用三維激光掃描儀實(shí)施點(diǎn)云配準(zhǔn),用輸出報(bào)表的方式進(jìn)行斷面分析,最終使用最小二乘法來擬合斷面,分析設(shè)計(jì)半徑和隧道收斂變形,從而有效確保地鐵隧道收斂變形監(jiān)測的效果。

結(jié)束語

綜上所述,在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測中正確運(yùn)用三維激光掃描技術(shù),需要處理好點(diǎn)云數(shù)據(jù)和點(diǎn)云配準(zhǔn)工作,綜合分析設(shè)計(jì)半徑和隧道收斂變形,以此提升地鐵隧道收斂變形監(jiān)測質(zhì)量。