基于三維激光掃描的地鐵隧道快速監(jiān)測方法研究

鄭 敏，嚴(yán) 鳳，熊 勇 鋼

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010； 3.武漢漢寧軌道交通技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430070)

地鐵已成為我國大型城市主要的交通出行方式，圍繞地鐵運(yùn)營的安全測量是國家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要保障。高效、高精度和自動化測量地鐵隧道等設(shè)施的結(jié)構(gòu)形狀和表面(簡稱“結(jié)構(gòu)形面”)的精準(zhǔn)變化是保障安全運(yùn)營的核心和關(guān)鍵(地鐵鋼軌毫米級的形變可能引發(fā)重大安全事故)[1-3]，但城市地鐵具有空間分布廣、觀測環(huán)境惡劣、觀測時間窗口受限(每周只有3個窗口，且時間僅為03∶00～04∶00)以及結(jié)構(gòu)形面多變等獨(dú)特的天然復(fù)雜性，且地鐵檢測包含檢測項(xiàng)目眾多，長期以來面臨著“測全難、測準(zhǔn)難、測快難”三大業(yè)界公認(rèn)難題[4-5]。傳統(tǒng)的地鐵隧道測量方法有斷面儀斷面測量、收斂計(jì)收斂監(jiān)測、全站儀拱頂沉降監(jiān)測、水準(zhǔn)儀隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測等，這些測量方式存在功能單一、效率低、速度慢、觀測環(huán)境受限制等問題，已無法滿足當(dāng)今地鐵高效施工及高密度運(yùn)營的要求[6-7]。

近幾年，移動三維激光掃描系統(tǒng)技術(shù)迅速發(fā)展，這一新型的綜合了多種高新傳感器技術(shù)的測量系統(tǒng)具備高效率、高密度、高精度、多維度自動檢測的特點(diǎn)，使得三維激光掃描技術(shù)在水利工程、市政工程、文物保護(hù)等方面廣泛推廣應(yīng)用[8-9]。

本文介紹了集成三維激光掃描系統(tǒng)的車載軌道智能掃描系統(tǒng)并將其應(yīng)用于地鐵隧道進(jìn)行快速監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了地鐵結(jié)構(gòu)形面毫米級高精度測量和地鐵結(jié)構(gòu)形面微小形變?nèi)S精準(zhǔn)提取與病害智能識別等，高效多功能的完成了隧道逐環(huán)直徑收斂測量、限界檢測、橢圓度分析、錯臺分析、滲水檢測、襯砌檢測等[10-11]。

1 基本原理

1.1 激光掃描儀基本原理

地鐵移動三維激光掃描系統(tǒng)采用先進(jìn)的主動傳感器，發(fā)射受控制的激光照射在隧道內(nèi)壁表面等目標(biāo)上，然后接收目標(biāo)的后向反射光，并由記錄單元進(jìn)行記錄。系統(tǒng)利用脈沖從傳感器發(fā)出到接收的時間差t來確定傳感器與被測目標(biāo)之間的距離，因此目標(biāo)到激光器的距離R可以表示為

(1)

式中,c為激光在真空中的傳播速度。

脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到前一個反射回的脈沖。因?yàn)榧す馐l(fā)射出去的方向是已知可控的，每一次掃描都會建立從激光掃描儀到被測目標(biāo)反射點(diǎn)之間的空間向量，進(jìn)而得到被掃描點(diǎn)在掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)[12-13]。

1.2 系統(tǒng)工作原理

首先完成系統(tǒng)內(nèi)部多種傳感器之間的時間同步與相對位置姿態(tài)的標(biāo)定。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)提供外部精密位置約束與授時信息(在隧道內(nèi)僅提供精確授時)。隧道環(huán)境下利用慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)和距離測量單元(Digital Measurement Indicator, DMI)數(shù)據(jù)進(jìn)行航位推算獲取移動測量系統(tǒng)及激光器的位置速度姿態(tài)等信息。將被掃描點(diǎn)在激光掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系。圖1展示了車載LiDAR(Light Detection And Ranging)系統(tǒng)工作原理。

圖1 地鐵移動三維激光掃描系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地鐵移動三維激光掃描系統(tǒng)主要由Z+F9012激光斷面掃描儀、高精度IMU、雙頻三星GNSS板卡(含天線)、DMI及安裝組件、多傳感器同步控制電路以及存儲單元、電源管理與保護(hù)模塊、平板計(jì)算機(jī)/筆記本電腦等硬件集成。

Z+F9012激光斷面掃描儀點(diǎn)云掃描速度可達(dá)1百萬點(diǎn)/s，斷面掃描速度高達(dá)200 rad/s，可以實(shí)現(xiàn)斷面的高精度高密度掃描，并且這些海量數(shù)據(jù)可以在軟件中顯示和處理。三維激光掃描儀主要技術(shù)參數(shù)如下：

參數(shù)指標(biāo)測距方式相位式發(fā)射頻率不少于,0.1mm分辨率測距精度≤1mm掃描頻率50-200Hz角測量精度0.02°掃描角度360°激光發(fā)射角度≤0.5mrad激光點(diǎn)尺寸1.9mm,@0.1m最大測量距離≥110m最小測量距離≤0.5m

地鐵移動三維激光掃描系統(tǒng)不同于多光譜掃描系統(tǒng)和攝影相機(jī)系統(tǒng)，它不依賴太陽光照，所以它是一個全天時日夜可以獲得地面數(shù)字三維信息的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件外觀如圖2所示。

圖2 移動三維激光掃描系統(tǒng)硬件外觀

3 實(shí)施方案

本文以武漢市軌道交通7號線一期工程運(yùn)營期監(jiān)測為例，該工程長30.85 km，為全地下線路，設(shè)站19座，測區(qū)大體為南北走向，經(jīng)三陽路越江隧道工程，穿越長江。采用本移動三維激光掃描系統(tǒng)完成了不少于30 km的掃描。

考慮到在無GNSS信號環(huán)境下，地鐵移動三維激光掃描系統(tǒng)本身無法實(shí)時獲取位置信息，因此該方案主要基于IMU加DMI來實(shí)現(xiàn)無GNSS環(huán)境下定位定姿信息融合解算。測量時提前在CPⅢ控制點(diǎn)上布設(shè)高精度標(biāo)靶，利用外部環(huán)境布設(shè)的靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理校正，獲取點(diǎn)云絕對坐標(biāo)。以下過程為本套系統(tǒng)無GNSS條件下外業(yè)作業(yè)流程及獲取點(diǎn)云三維絕對位置的處理過程。

3.1 外業(yè)實(shí)施流程

外業(yè)作業(yè)主要分為實(shí)地踏勘、標(biāo)靶布設(shè)、控制點(diǎn)測量、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集4步進(jìn)行。

(1)實(shí)地踏勘。作業(yè)相關(guān)人員到測區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，了解測區(qū)情況及范圍，確定設(shè)備進(jìn)出場位置、測試起止點(diǎn)、靶標(biāo)布設(shè)方案，現(xiàn)場注意事項(xiàng)等。

(2)靶標(biāo)布設(shè)。軌道沿線間隔60 m左右分布一對控制點(diǎn)，在控制點(diǎn)上布設(shè)靶標(biāo)，在曲線及有條件的地方加密布設(shè)控制點(diǎn)并在其上安置定制靶標(biāo)(車站部位布設(shè)在站臺邊緣上、疏散平臺一側(cè)布置在平臺上方1 m處)作為定位精度檢查點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 工作現(xiàn)場及靶標(biāo)示意

(3)控制點(diǎn)測量。① 采用高精度全站儀測量靶標(biāo)中心坐標(biāo)；② 將儀器推行起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)在軌道控制點(diǎn)附近，方便確定推行軌跡起始點(diǎn)和終止點(diǎn)在軌道控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

(4)數(shù)據(jù)采集。調(diào)試硬件系統(tǒng)，為保證最大采樣覆蓋率，行駛速度控制在2 km/h，1 h可以完成1 km的區(qū)間左右線的掃描。工程數(shù)據(jù)采集完畢，拷貝掃描設(shè)備上的工程數(shù)據(jù)。

3.2 內(nèi)業(yè)處理流程

圖4 展示了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程，采用與本系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)處理軟件，對高精度激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到包含里程信息并可量測的高清灰度圖和深度圖，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對隧道管片的脫落檢測、滲水檢測、車輛超限檢測、逐環(huán)直徑分析、橫斷面分析和錯臺分析，詳細(xì)步驟如下。

圖4 系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

(1)三維點(diǎn)云融合配準(zhǔn)。基于IMU、DMI的高精度定位定姿結(jié)果和激光掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行三維點(diǎn)云融合配準(zhǔn)，獲得部分區(qū)段的三維點(diǎn)云圖和影像圖如圖5～6所示。

圖5 部分區(qū)段點(diǎn)云圖

圖6 點(diǎn)云局部影像

(2)點(diǎn)云隧道灰度影像生成。利用融合生成的高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成隧道灰度影像，如圖7所示，并利用POS信息糾正及隧道灰度影像里程糾偏得到了高精度隧道灰度影像成果數(shù)據(jù)，然后選取現(xiàn)場未參與里程糾偏的里程基準(zhǔn)進(jìn)行里程精度檢核(考慮到初運(yùn)營線路的里程標(biāo)準(zhǔn)通常未能建立完善，可以結(jié)合設(shè)計(jì)線路數(shù)據(jù)進(jìn)行隧道點(diǎn)云灰度影像里程精度評定)。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)片分析和滲水裂縫等病害識別。

圖7 部分區(qū)段灰度正射影像

(3)點(diǎn)云隧道深度影像生成。利用高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成隧道壁形變深度影像，用以進(jìn)行隧道形變掉塊等病害檢測等。

(4)自動環(huán)片識別。得到的隧道現(xiàn)場場景還原的灰度影像，針對隧道管片特征利用自動化算法實(shí)現(xiàn)管片自動識別劃分，劃分后的管片包括起始幀、終止幀、環(huán)號、里程位置等信息全部存入數(shù)據(jù)庫，如圖8所示劃分完成為后續(xù)管片分析做準(zhǔn)備。

圖8 隧道管片劃分

(5)自動環(huán)片收斂錯臺限界分析。根據(jù)得到的獨(dú)立環(huán)片單元數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)環(huán)片收斂分析、錯臺分析、限界分析過程。環(huán)片收斂分析情況如圖9所示。

圖9 管片收斂CAD圖式樣

(6)病害分析。利用隧道灰度影像和隧道深度影像實(shí)現(xiàn)滲水、襯砌掉塊、裂縫等病害分析。

4 可靠性分析

為了驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在隧道快速監(jiān)測中的精度與可靠性，本文分別采用三維激光掃描儀、智能全站儀以及精密手持激光測距儀對相同隧道管片進(jìn)行隧道中心水平距離測量，比較三者之間的較差。試驗(yàn)區(qū)段選擇武漢市軌道交通7號線一期工程的取水樓-香港路區(qū)間，該區(qū)間為盾構(gòu)法施工，大體為東西走向。

(1)三維激光掃描。為了對隧道管片斷面掃描結(jié)果進(jìn)行合理有效地分析，首先需要建立一個合適的斷面擬合模型，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。隧道管片斷面在外部荷載壓力不均勻的影響下，會產(chǎn)生微小的不均勻變形，可以看成是離心率很小的橢圓，利用管片斷面掃描點(diǎn)云擬合橢圓得到隧道管片斷面的具體形狀及參數(shù)。利用擬合所得模型參數(shù)進(jìn)行擬合標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算和管片斷面分析，如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下：

(2)

表1 管片斷面點(diǎn)云橢圓擬合結(jié)果(部分)

(2)全站儀。試驗(yàn)采用leica TM50全站儀，免棱鏡觀測標(biāo)稱精度為±(2 mm+2PPM)，考慮視距不超過6 m，顧及角度誤差的微小影響，估算管片斷面點(diǎn)測量精度不大于±3 mm。觀測方法為任意選取20個管片，在斷面中心架設(shè)儀器，固定儀器水平方向，通過豎向轉(zhuǎn)動儀器免棱鏡觀測，每斷面均勻觀測管片上20個測點(diǎn)。用最小二乘法進(jìn)行管片斷面橢圓擬合，求出過隧道中心的水平直徑。

(3)精密激光測距儀。采用標(biāo)稱精度為±1 mm@80 m的徠卡D210激光測距儀，對相同管片直接測量其水平直徑。測量過程中注意在隧道中心上下挪動，多次測量，取所測最大值。

將全站儀及精密手持激光測距儀測量結(jié)果作為正確值，表2展示了移動三維激光掃描測量得到的隧道管片水平直徑變化結(jié)果與其余2種方式結(jié)果最大較差為7 mm，移動三維激光掃描測量結(jié)果與全站儀結(jié)果對比標(biāo)準(zhǔn)差為4 mm，與測距儀對比標(biāo)準(zhǔn)差為3.7 mm，3組成果基本一致，滿足業(yè)主對斷面測量平面精度允許誤差±10 mm的要求。

表2 3種方法所測的水平直徑差值

5 結(jié) 語

基于地鐵移動三維激光掃描系統(tǒng)的地鐵隧道快速監(jiān)測方法,利用三維點(diǎn)云和影像圖，建立了地鐵隧道的空間可視化模型，可實(shí)現(xiàn)地鐵隧道斷面與限界的快速測量。采用本系統(tǒng)相對應(yīng)的專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，能準(zhǔn)確提取斷面成果，還能實(shí)現(xiàn)對隧道管片的脫落檢測、滲水檢測、車輛超限檢測、逐環(huán)直徑分析、橫斷面分析和錯臺分析等，有效克服了傳統(tǒng)測量方式功能單一、效率低、速度慢、觀測環(huán)境受限制等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：移動三維激光掃描系統(tǒng)的測量成果可靠，具有實(shí)時性、非接觸性、數(shù)字化、高精度、高效率等優(yōu)勢，可在地鐵軌道交通運(yùn)行安全維護(hù)等工作中發(fā)揮重要作用。