三維激光掃描技術(shù)在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

邵文　鄭佳佳　占曉明

【摘 要】由于原有的地鐵變形監(jiān)測(cè)技術(shù)僅局限于單點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取，無(wú)法反映地鐵隧道整體形變特點(diǎn)，為此要引入更加先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)和方法，利用其環(huán)境影響小、表達(dá)對(duì)象細(xì)節(jié)信息能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行地鐵隧道變形數(shù)據(jù)的采集、點(diǎn)云預(yù)處理，以地鐵隧道中軸線為基準(zhǔn)，采用基于橢圓柱面模型的點(diǎn)云濾波方法，利用橢圓柱面擬合方法對(duì)地鐵隧道中軸線分割區(qū)域進(jìn)行濾噪，并進(jìn)行地鐵隧道的形變分析，進(jìn)行地鐵隧道區(qū)域空間變化信息的精準(zhǔn)表達(dá)。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù);地鐵;隧道;變形;監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）30-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.30.007

當(dāng)前地鐵工程建設(shè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)日益引發(fā)人們的重視，考慮到地鐵隧道變形的多方位、多層次和時(shí)延性，要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的收斂計(jì)、全站儀等形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，由于傳統(tǒng)技術(shù)僅能獲取部分單點(diǎn)數(shù)據(jù)，而無(wú)法全窺地鐵隧道的整體形變特點(diǎn)，為此可以引入全新的三維激光掃描技術(shù)，無(wú)須布設(shè)測(cè)點(diǎn)，可以精準(zhǔn)地進(jìn)行測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)采集，并構(gòu)建目標(biāo)物三維表面模型（DSM），進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，精準(zhǔn)獲取目標(biāo)點(diǎn)的空間變化量，準(zhǔn)確表達(dá)監(jiān)測(cè)對(duì)象的空間演變及動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，體現(xiàn)出極高的空間點(diǎn)位精度，為高精度形變監(jiān)測(cè)提供可靠的精度保證。

1 地鐵隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的組織及處理分析

1.1 地鐵隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的組織管理

可以采用點(diǎn)云處理軟件RI-SCANPRO進(jìn)行地鐵隧道點(diǎn)云的瀏覽、選取和輸出操作，為了利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地鐵隧道的形變監(jiān)測(cè)，要預(yù)先進(jìn)行地鐵隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的組織管理，相關(guān)方法主要包括有D-D樹(shù)、四叉樹(shù)、八叉樹(shù)、BSP樹(shù)等，要以地鐵隧道中軸線為基準(zhǔn)，按里程分塊存儲(chǔ)隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體步驟包括有：（1）提取中軸線。將獲取的地鐵隧道點(diǎn)云投影至掃描坐標(biāo)系的XOY水平面內(nèi)，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換，確保地鐵隧道中軸線與X軸方向一致，再依照一定的間隔分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使之成為等間隔區(qū)域，并搜索獲悉Y坐標(biāo)值最大、最小的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（2）計(jì)算里程。要明晰以中軸線為基準(zhǔn)的里程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)確定中軸線上某點(diǎn)的里程之后，可以通過(guò)軸線上離散點(diǎn)累加的方式，獲取中軸線上任意點(diǎn)的里程。（3）點(diǎn)云分割。可以設(shè)置一定的間隔，沿地鐵隧道中軸線進(jìn)行點(diǎn)云區(qū)域分割，建立地鐵隧道點(diǎn)云與中軸線里程之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，針對(duì)性地在分塊區(qū)域內(nèi)搜索某一點(diǎn)或某一里程處的斷面。

1.2 地鐵隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接

可以采用如下方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接：（1）基于點(diǎn)信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接?？梢詮娜S空間中存在的源數(shù)據(jù)和目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)變換，具體步驟為：計(jì)算兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最臨近點(diǎn)，使之與點(diǎn)云P中點(diǎn)一一對(duì)應(yīng);計(jì)算配準(zhǔn)參數(shù)矩陣;計(jì)算旋轉(zhuǎn)、平移變換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù);求均方差，設(shè)定閾值，進(jìn)行迭代計(jì)算。（2）基于幾何特征信息的拼接。依據(jù)三維物體的曲率、輪廓線等形狀參數(shù)進(jìn)行拼接，通常是先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗拼接，再與迭代算法一同實(shí)現(xiàn)拼接過(guò)程。具體步驟為：通過(guò)測(cè)點(diǎn)及其鄰域點(diǎn)估算兩組拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲面法向矢量，并使法向矢量方向指向曲面的另一側(cè);計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的曲率，并以此辨識(shí)兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)中能夠拼接的點(diǎn)對(duì)集合;采用幾何哈希方法進(jìn)行各個(gè)點(diǎn)對(duì)的法向映射，并實(shí)現(xiàn)散亂點(diǎn)云的初次拼接;以初次拼接結(jié)果作為新的初始位置，采用ICP算法進(jìn)行所有點(diǎn)對(duì)的二次拼接，完成兩組數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)拼接。（3）動(dòng)態(tài)拼接方法。采用旋轉(zhuǎn)式掃描的方式進(jìn)行三維物體的數(shù)據(jù)采集，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)原理完成插值拼接，使采樣線的點(diǎn)極其平順，減少拼接的誤差。（4）基于影像的拼接。也即立體匹配，是在立體像對(duì)上自動(dòng)確定同名像點(diǎn)，識(shí)別不同影像之間的同名點(diǎn)，采用基于灰度的拼接算法和基于特征的拼接算法，主要涵蓋檢測(cè)子、描述子、拼接等過(guò)程和步驟。

地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是在地鐵隧道一定區(qū)段內(nèi)的兩端布設(shè)若干個(gè)拼接點(diǎn)，使之成為該區(qū)段內(nèi)各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)共用的控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)區(qū)段內(nèi)的整體控制，規(guī)避每?jī)烧鹃g布設(shè)大量控制點(diǎn)的低效性問(wèn)題，無(wú)須相鄰測(cè)點(diǎn)的首尾拼接，而是全部通過(guò)各測(cè)站區(qū)段兩端的控制點(diǎn)進(jìn)行拼接，利用共用控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)降低測(cè)站間拼接誤差的現(xiàn)象。同時(shí)，反射片的幾何輪廓能夠通過(guò)掃描獲取其精準(zhǔn)的中心坐標(biāo)值，減少共用控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差。

1.3 地鐵隧道點(diǎn)云抽稀

要注重對(duì)地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的點(diǎn)云抽稀，通過(guò)TLS逐線掃描的測(cè)量方法，推導(dǎo)計(jì)算單位面積內(nèi)掃描線列數(shù)及點(diǎn)數(shù)，采用基于掃描線點(diǎn)間距的點(diǎn)云抽稀算法，濾除同一掃描線上點(diǎn)間距低于閾值的點(diǎn)，使抽稀后的點(diǎn)云分布更加均勻合理，并據(jù)此構(gòu)建點(diǎn)云抽稀率及閾值倒數(shù)的多項(xiàng)式擬合模型。

1.4 地鐵隧道點(diǎn)云配準(zhǔn)

可以采用基于兩點(diǎn)和三點(diǎn)的同名標(biāo)靶點(diǎn)自動(dòng)匹配算法，從相鄰掃描站的大量標(biāo)靶中快速搜索出同名標(biāo)靶點(diǎn)，進(jìn)行相鄰測(cè)站的粗配準(zhǔn)，構(gòu)建基線簡(jiǎn)化模型和聯(lián)合簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矩陣的簡(jiǎn)化處理，使嚴(yán)密的非線性平差模型向線性平差模型轉(zhuǎn)化，最后再采用ICP算法，針對(duì)濾波、粗配準(zhǔn)的相鄰測(cè)站公共區(qū)域進(jìn)行精配準(zhǔn)。

2 地鐵形變監(jiān)測(cè)中三維激光掃描關(guān)鍵技術(shù)分析

考慮到地鐵隧道看構(gòu)環(huán)片中攜帶有若干個(gè)金屬支架、電器設(shè)備，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋有非隧道內(nèi)壁點(diǎn)信息，為此要對(duì)非隧道內(nèi)壁點(diǎn)信息進(jìn)行濾除處理，采用基于橢圓柱面模型的非隧道內(nèi)壁點(diǎn)信息濾除方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道的形變監(jiān)測(cè)。

2.1 平面標(biāo)靶中心提取技術(shù)

由于球形標(biāo)靶無(wú)法一次性獲取完整的地鐵隧道表面云數(shù)據(jù)，為此本文選取平面標(biāo)靶中心的提取技術(shù)和方法，采用一種平面標(biāo)靶的邊緣提取算法，搜索標(biāo)靶的圓形邊界，擬合三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的標(biāo)靶中心，有效規(guī)避和解決點(diǎn)云密度不均而引發(fā)的擬合中心偏移問(wèn)題。具體方法有：（1）邊緣擬合法。由于標(biāo)靶反射率與周邊地物反射率存在較大的差異性，為此可以預(yù)先設(shè)定最佳閾值，有效剔除標(biāo)靶噪聲點(diǎn)，并通過(guò)迭代濾噪的方式，擬合出最終的標(biāo)靶所在平面，再將迭代后的擬合平面視為真實(shí)的標(biāo)靶平面，在平面上投影濾噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取校正后的平面標(biāo)靶點(diǎn);再分割獲取擬合的標(biāo)靶輪廓線，通過(guò)逐點(diǎn)搜索最遠(yuǎn)距離的方式，精提取各邊緣點(diǎn)，以邊緣點(diǎn)到球心距離與半徑差值的平方和最小為擬合點(diǎn)，得到標(biāo)靶中心坐標(biāo)值，最后進(jìn)行地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)的垂直掃描精度分析、傾斜掃描精度分析和數(shù)據(jù)缺失狀態(tài)下的精度分析。

2.2 基于橢圓柱面模型的濾波技術(shù)

考慮到地鐵隧道盾構(gòu)施工存在有大量的金屬支架、電器設(shè)備等附著物，導(dǎo)致掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)涵蓋有大量的非隧道內(nèi)壁點(diǎn)，對(duì)此，本文提出基于橢圓柱面模型實(shí)現(xiàn)地鐵隧道噪聲的濾除處理，將地鐵隧道橫截面視為橢圓，以地鐵隧道掃描的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行地鐵隧道中軸線的提取，沿隧道中軸線正交方向?qū)Ⅻc(diǎn)云進(jìn)行等間距分割，迭代擬合出不同區(qū)域的橢圓柱面，相關(guān)參數(shù)包括有：點(diǎn)云分割時(shí)的區(qū)域間隔d、橢圓擬合時(shí)的迭代參數(shù)K，自動(dòng)濾除地鐵隧道內(nèi)壁非點(diǎn)。

3 三維激光掃描技術(shù)在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

以某地鐵一號(hào)線民航路站區(qū)間的某一段地鐵隧道為例，進(jìn)行地鐵施工期間的形變監(jiān)測(cè)，采用RiEGLVZ-400三維激光掃描儀進(jìn)行若干個(gè)激光點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，掃描角度范圍為：垂直掃描（線掃描）100°（+60°～-40°）、水平掃描（面掃描）0°～360°，掃描速度為：垂直掃描3線/秒～120線/秒、水平掃描為0°/秒～60°/秒，角度步頻率為：垂直掃描[0.0024° 0.288°]、水平掃描[0.0024° 0.5°]，角度分辨率為：垂直掃描優(yōu)于0.0005°（1.8arcsec）、水平掃描優(yōu)于0.0005°（1.8arcsec），在地鐵隧道形變監(jiān)測(cè)過(guò)程中，在B、C斷面之間均勻布設(shè)三個(gè)平面標(biāo)靶點(diǎn)，采用粗掃的方式獲取地鐵隧道整體點(diǎn)云，自動(dòng)辨識(shí)標(biāo)靶、反射標(biāo)貼等高反射度物體，再經(jīng)由手工剔除和篩選獲悉物體的精掃點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)首個(gè)測(cè)點(diǎn)的掃描工作。依次再在D、E斷面和F、G斷面之間進(jìn)行掃描觀測(cè)作業(yè)，規(guī)避掃描儀點(diǎn)位精度降低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)期地鐵隧道點(diǎn)云的形變監(jiān)測(cè)。

4 基于斷面擬合的形變監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用分析

考慮到地鐵隧道盾構(gòu)環(huán)片因荷載作用而會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)擴(kuò)張、頂部沉降的形變問(wèn)題，可以采用三維激光掃描點(diǎn)云截取地鐵隧道斷面擬合橢圓的方法，監(jiān)測(cè)地鐵隧道的形變情況。

（1）斷面擬合的監(jiān)測(cè)方法。提取地鐵隧道中軸線，并采用RANSAC方法進(jìn)行中軸線擬合，擬合表現(xiàn)地鐵隧道姿態(tài)的虛擬空間曲線;通過(guò)基于插值的曲面擬合和基于逼近的曲面擬合方法，連續(xù)截取斷面的橢圓擬合，包括地鐵隧道整體的全局曲面擬合、沿某一參照方向的隧道曲面斷面截取，對(duì)比擬合橢圓長(zhǎng)、短半軸與地鐵設(shè)計(jì)半徑值，獲悉形變量大于設(shè)定閾值的斷面，計(jì)算斷面內(nèi)各點(diǎn)到擬合中心的距離。

（2）基于規(guī)則格網(wǎng)的多期數(shù)據(jù)形變分析。以地鐵隧道中軸線為基礎(chǔ)，連續(xù)截取兩期數(shù)據(jù)在相同里程處的斷面，各個(gè)斷面上可以任意設(shè)定角度間隔Δθ，根據(jù)預(yù)設(shè)角度間隔擬合斷面上不同角度的點(diǎn)位坐標(biāo)，對(duì)比兩期數(shù)據(jù)中相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的位移情況。

（3）基于DSM的多期數(shù)據(jù)形變分析。針對(duì)配準(zhǔn)、濾波處理的兩期地鐵隧道點(diǎn)云，可以構(gòu)建數(shù)字表面模型（DSM），對(duì)濾波后的第1期、第2期原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、建模、漏洞填充處理，并對(duì)兩期DSM進(jìn)行疊加分析，以第1期DSM為基準(zhǔn)，對(duì)第2期DSM的內(nèi)外方向偏移若干個(gè)Δ值，獲悉地鐵隧道內(nèi)壁不同量級(jí)的形變區(qū)域。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，考慮到地鐵隧道狹長(zhǎng)的環(huán)境及監(jiān)測(cè)精度的要求，本文重點(diǎn)探討地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用，可以利用相關(guān)軟件和技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，構(gòu)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模型，引入地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)：平面標(biāo)靶中心提取技術(shù)和基于橢圓柱面模型的濾波技術(shù)，較好地減少地鐵隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形監(jiān)測(cè)的誤差。還要進(jìn)一步深入研究車(chē)載激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，研發(fā)全方位、高效率的地鐵隧道形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提升地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)的效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李善馳.三維激光掃描技術(shù)在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].資源信息與工程，2019，34（01）：133-134.

[2]畢俊，馮琰，顧星曄，等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2008（s2）：14-15.

[3]袁長(zhǎng)征，滕德貴，胡波，等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2017（9）：152-153.

[4]張喜妮，王合理.三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以TrimbleGX掃描儀為例[J].河南科技，2012（9）：93-93.

[5]劉全海，謝友鵬，趙塵衍.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2017（s1）：139-142.

[6]張?zhí)N明，馬全明，李丞鵬，等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2012（s1）：438-440.