基于移動(dòng)三維激光掃描儀的地鐵限界測(cè)量分析

劉云峰 董燕 柳志云

摘? 要： 傳統(tǒng)架站式三維激光掃描技術(shù)在地鐵限界測(cè)量中，存在采集數(shù)據(jù)繁瑣，點(diǎn)云處理難度高等問(wèn)題，同時(shí)現(xiàn)有的限界分析軟件測(cè)量節(jié)點(diǎn)稀少。本文針對(duì)以上問(wèn)題，利用移動(dòng)式三維激光掃描儀，對(duì)昆明地鐵某段隧道進(jìn)行了相對(duì)測(cè)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)處理，導(dǎo)入專業(yè)的限界測(cè)量分析軟件，完成凈空差值測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示，測(cè)量區(qū)間未有任何超限病害，并快速生成圖文一體檢測(cè)報(bào)告，驗(yàn)證了本文提出的地鐵限界測(cè)量技術(shù)，能夠提供高效、準(zhǔn)確、便利的服務(wù)。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)三維激光，點(diǎn)云處理，地鐵軌道交通，限界測(cè)量分析

【Abstract】： In the metro limit measurement， the traditional station-based 3D laser scanning technology has the problems of cumbersome data collection and high difficulty in point cloud processing. At the same time， the existing gauge analysis software has few measurement nodes. In this paper， based on the above problems， a mobile 3D laser scanner was used to measure the underground tunnel of Kunming subway in relative mode. The point cloud data is pre-processed and imported into the professional gauge measurement and analysis software to complete the measurement of the clearance value. The measurement results show that there is no over-limit disease in the measurement interval， and the graphic and text detection report is quickly generated， which verifies the subway gauge measurement technology proposed in this paper that provides efficient， accurate and convenient service.

【Key words】： Mobile 3D laser; Point cloud processing; Metro rail transit; Gauge measurement analysis

0? 引言

隨著城市交通對(duì)地鐵軌道交通的需求增加，其路線也隨之增多，這無(wú)疑對(duì)地鐵軌道交通的日常運(yùn)維效率要求越來(lái)越高。而在眾多日常檢查項(xiàng)目中，地鐵軌道限界是保證城市地鐵運(yùn)營(yíng)安全的重要指標(biāo)。

目前，國(guó)內(nèi)地鐵限界檢測(cè)的方法根據(jù)測(cè)量方式可以歸納為，接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量，根據(jù)檢測(cè)平臺(tái)可以分為便攜式測(cè)量、機(jī)車牽引式測(cè)量[1]。接觸式測(cè)量中，應(yīng)用最廣的是限界檢測(cè)車。檢測(cè)車通過(guò)支架上安裝的限界檢測(cè)模板，與侵入限界的建構(gòu)筑物接觸，引發(fā)警報(bào)，以達(dá)到檢測(cè)目的，該方法檢測(cè)設(shè)備沉重，操作繁瑣，檢測(cè)不精準(zhǔn)，且每次使用之前需進(jìn)行變形檢測(cè)，以免產(chǎn)生測(cè)量誤差。非接觸式測(cè)量中，主要有全站儀測(cè)量，斷面儀測(cè)量，電視攝像測(cè)量，地面三維激光測(cè)量等。這些檢測(cè)方法中，全站儀測(cè)量和斷面儀測(cè)量數(shù)據(jù)采樣少，檢測(cè)率低，工作效率慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效全面的檢測(cè)[2];電視攝像測(cè)量是對(duì)獲得的隧道斷面圖像進(jìn)行矯正配準(zhǔn)，從圖像中提取隧道斷面的輪廓，但所提取的輪廓需要進(jìn)行細(xì)化及誤差修正，處理過(guò)程容易丟失限界信息且產(chǎn)生人為誤差[3];地面三維激光測(cè)量具有掃描精度高，速度快等優(yōu)點(diǎn)[4]，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全面的限界檢測(cè)，但數(shù)據(jù)采集效率低，外業(yè)采集前需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，確定采集方案等，采集過(guò)程中無(wú)法避免人員遮擋，干擾點(diǎn)云多，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中依賴輔助標(biāo)靶[5]，多站點(diǎn)云拼接存在誤差傳遞，最終影響測(cè)量精度。

移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的架站式掃描技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：一，外業(yè)工作快捷高效，無(wú)需提前確定采集方案及輔助設(shè)備;二，可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，直接獲取高精度高密度隧道橫斷面點(diǎn)云，獲取的數(shù)據(jù)為線性的有規(guī)律的海量點(diǎn)集合;三，可避免人員、設(shè)備遮擋。

目前，基于三維激光掃描技術(shù)的限界測(cè)量分析軟件已廣泛應(yīng)用，如徠卡的隧道形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、中海達(dá)HD 3LS SCENE軟件。現(xiàn)階段只能提取隧道襯砌橫斷面，因此測(cè)量分析只在隧道襯砌層面，且只能進(jìn)行頂高、底高及左右橫距四個(gè)點(diǎn)的限界測(cè)量[6]，測(cè)量?jī)?nèi)容不全面。針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)提出高效的地鐵限界測(cè)量分析方案。

1? 限界測(cè)量?jī)?nèi)容及作業(yè)流程

1.1? 限界測(cè)量?jī)?nèi)容

地鐵限界測(cè)量中，主要測(cè)量?jī)?nèi)容分為設(shè)備限界和建筑限界[7]。設(shè)備限界位于車輛限界外，是車輛限界外加未計(jì)及因素和安全間距的界限，測(cè)量對(duì)象為架設(shè)在隧道內(nèi)部的機(jī)車運(yùn)行輔助設(shè)備、電力通訊線，安全檢測(cè)臺(tái)等構(gòu)筑物，在橫斷面中呈規(guī)則多樣圖形。建筑限界是位于設(shè)備限界外，并考慮了沿線設(shè)備安裝后的界限，測(cè)量對(duì)象為沒(méi)有設(shè)備覆蓋的隧道襯砌壁，呈規(guī)則圓形或橢圓。

1.2? 作業(yè)流程

本文利用安伯格GRP 5000移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合點(diǎn)云預(yù)處理軟件和限界測(cè)量分析軟件，建立了基于移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)的地鐵限界測(cè)量作業(yè)流程。該作業(yè)流程分別在點(diǎn)云預(yù)處理、限界測(cè)量分析中，應(yīng)用了Geomagic studio15.0和Ambeg Tunnel Rail2.0軟件。具體作業(yè)流程如下。

2? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本文的外業(yè)數(shù)據(jù)采集，無(wú)需獲取控制點(diǎn)和輔助標(biāo)靶架設(shè)，只需在Ambeg Tunnel Rail2.0軟件中創(chuàng)建工程文件，進(jìn)行項(xiàng)目名稱編輯、預(yù)構(gòu)隧道輪廓、輸入起測(cè)里程及終點(diǎn)里程等操作，并將工程文件載入檢測(cè)系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)儀器時(shí)，需確保雙輪處于右手側(cè)，以里程增大為前進(jìn)方向，避免里程測(cè)量發(fā)生錯(cuò)誤。

使用GRP 5000檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)昆明地鐵某站區(qū)間進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，起測(cè)時(shí)對(duì)準(zhǔn)起測(cè)里程標(biāo)記，根據(jù)測(cè)量方式，選擇連續(xù)測(cè)量工作模式，沿軌道做動(dòng)態(tài)測(cè)量，速度控制為25 m/min，數(shù)據(jù)采集速度為5萬(wàn)點(diǎn)/秒，單點(diǎn)測(cè)量精度為±3 mm，滿足限界測(cè)量的精度要求。檢測(cè)系統(tǒng)主要組件如圖1，2。

3? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

外業(yè)采集完畢后，將數(shù)據(jù)輸出為ASC格式。連續(xù)測(cè)量工作模式?jīng)Q定了得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是沒(méi)有重合

的數(shù)據(jù)[8]，同時(shí)，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和全局拼接等操作，避免了數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換拼接過(guò)程中造成的誤差。GRP 5000系統(tǒng)利用光電計(jì)數(shù)器獲取測(cè)量小車的里程數(shù)據(jù)，里程分辨率為±5 mm，測(cè)量誤差小于0.5%。雖然海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的管理算法已不斷優(yōu)化，但點(diǎn)云處理過(guò)程中，消耗時(shí)間和點(diǎn)云數(shù)量仍呈線性相關(guān)[9]，因此，GRP系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集時(shí)，間隔5 m自動(dòng)存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)文件，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中，可根據(jù)硬件設(shè)備的條件，直接使用Geomagic studio選擇合適的文件數(shù)量進(jìn)行合并。

3.1? 點(diǎn)云去噪

利用該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)可以避免人員設(shè)備遮擋，因此無(wú)需剔除干擾點(diǎn)云，省去補(bǔ)點(diǎn)操作[10-11]。本文使用Geomagic studio 15.0對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行粗差點(diǎn)、離群點(diǎn)的剔除，數(shù)據(jù)處理過(guò)程快速高效，剔除效果如圖5，6所示。

3.2? 數(shù)據(jù)壓縮

由于儀器采集數(shù)據(jù)速度快，造成獲得的數(shù)據(jù)中冗余的點(diǎn)云成分大，影響工作效率，需要對(duì)其進(jìn)行

壓縮，同時(shí)保留點(diǎn)云幾何特征[12]。本文根據(jù)隧道點(diǎn)云的特點(diǎn)，使用Geomagic studio采用統(tǒng)一采樣法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，該方法可減少平坦區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)，但保留高曲率區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)以保留細(xì)節(jié)。采樣間隔設(shè)置為5 mm，由于是隧道點(diǎn)云，因此優(yōu)化方面曲率優(yōu)先，同時(shí)選中保持邊界選項(xiàng)。壓縮前，樣本為8365277個(gè)點(diǎn)，壓縮后為2891805個(gè)點(diǎn)。

3.3? 點(diǎn)云精度分析

點(diǎn)云去噪壓縮的目的是剔除粗差，去除對(duì)后續(xù)應(yīng)用分析無(wú)關(guān)的點(diǎn)云，使點(diǎn)云更加精簡(jiǎn)和準(zhǔn)確，以保證曲線擬合的正確性和對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行精確的測(cè)量。因此，本文使用Geomagic studio對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云采用主成分分析法[13]，判斷預(yù)處理后的點(diǎn)云整體精度。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示點(diǎn)云間最大偏差距離為0.010 m，平均偏差0.0005 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.00083 m，去噪精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云整體精度在1毫米以內(nèi)，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

4? 限界測(cè)量分析

在不同的測(cè)量應(yīng)用中，對(duì)于隧道橫斷面的分析各有不同，變形監(jiān)測(cè)、竣工測(cè)量等均以隧道襯砌橫斷面為測(cè)量分析對(duì)象，所需提取的橫斷面為簡(jiǎn)單的圓或橢圓，而限界測(cè)量的分析對(duì)象為設(shè)備限界和建筑限界，所需提取的橫斷面包括設(shè)備和建筑，圖形結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文使用的隧道限界分析軟件能夠完整提取所需橫斷面，并以機(jī)車限界為基礎(chǔ)，自動(dòng)測(cè)量橫斷面距機(jī)車限界節(jié)點(diǎn)最近的點(diǎn)間距。如圖8所示。

4.1? 橫斷面提取及疊加分析

預(yù)處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ambeg Tunnel Rail2.0軟件，可根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)定橫斷面提取密度，本文設(shè)置間隔5 m提取一個(gè)隧道橫斷面。

該測(cè)量系統(tǒng)采用獨(dú)創(chuàng)的軌頭智能識(shí)別技術(shù)。掃描儀原點(diǎn)距不同的軌道中心軸線對(duì)應(yīng)有不同的常數(shù)定值，Tunnel Rail可根據(jù)該常數(shù)值及實(shí)測(cè)軌距自動(dòng)計(jì)算隧道橫斷面的軌道基準(zhǔn)點(diǎn)，機(jī)車限界與隧道橫斷面根據(jù)所得軌道基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行疊加。

導(dǎo)入DXF格式的機(jī)車限界文件，以軌道位置為基準(zhǔn)，將機(jī)車限界和提取的設(shè)備限界與隧道限界進(jìn)行疊加，以機(jī)車限界節(jié)點(diǎn)為檢測(cè)對(duì)象，測(cè)量與之最近的點(diǎn)間距，相較于以往限界測(cè)量軟件僅測(cè)量頂高、底高及左右橫距，本文所使用的軟件更符合限界分析需求。

4.2? 一鍵生成測(cè)量報(bào)告

限界測(cè)量分析完畢，軟件支持一鍵生成圖表檢測(cè)報(bào)告。書(shū)面報(bào)告內(nèi)容包括測(cè)量單位，測(cè)量里程，軌距，測(cè)量線路，測(cè)量區(qū)間，里程范圍及其他測(cè)量信息。圖像中顯示，設(shè)備限界和建筑限界所有距機(jī)車限界關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最近的點(diǎn)間距，如圖9所示。

5? 結(jié)論

利用移動(dòng)三維激光掃描儀對(duì)隧道斷面進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，沿里程方向以25 m/min的速度自動(dòng)采集存儲(chǔ)斷面，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理后，提取高精度斷面圖形。將機(jī)車限界導(dǎo)入軟件中進(jìn)行疊加分析，通過(guò)軟件計(jì)算得到隧道限界的凈空差值，通過(guò)對(duì)隧道前后三次復(fù)測(cè)，測(cè)區(qū)均未發(fā)現(xiàn)侵限現(xiàn)象。

本文提出的地鐵限界測(cè)量技術(shù)已經(jīng)用于實(shí)際地鐵隧道限界檢測(cè)項(xiàng)目，為隧道的安全檢測(cè)，以及維護(hù)管理提供了高效可靠的檢測(cè)和分析手段，區(qū)別于以往測(cè)量方案，本文提出的限界測(cè)量技術(shù)方案增加了設(shè)備限界測(cè)量，測(cè)量節(jié)點(diǎn)更多，測(cè)量?jī)?nèi)容豐富詳實(shí)?？偟膩?lái)說(shuō)，該技術(shù)方案利用移動(dòng)三維激光掃描儀，結(jié)合免費(fèi)的三維激光點(diǎn)云處理軟件及專業(yè)的隧道限界分析軟件，在提高作業(yè)效率的同時(shí)，更為直觀的展現(xiàn)了限界測(cè)量情況，并快速生成圖表一體的限界檢測(cè)報(bào)告。在本文的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行后續(xù)的隧道病害檢測(cè)，隧道變形分析等。

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