三維激光點(diǎn)云在隧洞病害缺陷檢測中的應(yīng)用研究

楊 偉，施富強(qiáng)，，張銥瑩，王立娟，路祥祥

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都，610000；2.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川成都，610000）

0 引言

隨著我國水利水電事業(yè)的大力發(fā)展，大量的水工隧洞得以修建或正在建造，從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營維護(hù)，隧洞安全對水利工程具有關(guān)鍵性作用。在水工隧洞長期運(yùn)行過程中，可能會出現(xiàn)襯砌開裂、破損、滲漏、腐蝕等缺陷，這些缺陷勢必會影響水工隧洞的安全運(yùn)行，縮短隧洞的使用壽命，甚至可能導(dǎo)致隧洞發(fā)生安全事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失乃至人員傷亡。

為保證水工隧洞安全運(yùn)行，應(yīng)定期對水工隧洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全檢測。傳統(tǒng)檢測方法是檢測人員在水工隧洞放空檢查期間，進(jìn)入水工隧洞進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷進(jìn)行人工標(biāo)記，檢測效率低且檢測結(jié)果具有較大主觀性，難以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對人工檢測的弊端，近年來國內(nèi)外引入數(shù)字圖像處理技術(shù)用于隧道缺陷檢測[1-5]。黃永杰等[6]提出一種基于數(shù)字圖像識別的隧道滲漏水自動檢測技術(shù)，用于隧道的安全檢測。王平讓[7]通過隧道襯砌裂縫自動檢測模型試驗(yàn)，討論了光照強(qiáng)度和檢測距離對檢測有效像素的影響。然而，水工隧洞作為地下隱蔽工程，由于其規(guī)模大、長度長、照明差等特點(diǎn)，在一定程度上增加了圖像處理技術(shù)用于水工隧洞隱患檢測的難度。

三維激光掃描技術(shù)是一種集光、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的三維測量技術(shù)[8]，具有高效率、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢，近年來在國內(nèi)外形變監(jiān)測、數(shù)字信息化提取、文物古跡保護(hù)等諸多領(lǐng)域有了很多應(yīng)用[9-16]。因此，采用三維激光掃描技術(shù)對水工隧洞進(jìn)行隱患檢測具有工程實(shí)際意義。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

1.1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)利用激光測距原理，非接觸式地快速大量采集目標(biāo)物體表面幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值、反射率等信息，后期通過計(jì)算機(jī)快速高效地對目標(biāo)物體建立三維模型。三維激光掃描儀的工作原理是由激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號，到達(dá)物體表面后再沿幾乎相同的路徑返回，接收器接收到返回信號后，時間計(jì)數(shù)器記錄下脈沖往返時間，算出目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀的距離S，同時控制編碼器控制并測量脈沖激光的掃描角度，記錄橫向掃描角度α（水平角）和縱向掃描角度β（垂直角），最后由距離測量值S、角度α和β解算出目標(biāo)點(diǎn)的相對三維坐標(biāo)。以三維激光掃描儀為坐標(biāo)系原點(diǎn)，獲取空間點(diǎn)P坐標(biāo)的原理見圖1。

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理圖Fig.1 Calculation of scanning point in coordinates

1.2 三維激光掃描儀

選擇德國Z+F公司的IMAGER 5010C三維激光掃描儀作為水工隧洞內(nèi)表面幾何場數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該掃描儀將I-CAM相機(jī)集成于設(shè)備內(nèi)部，同時配備Z+F公司原廠生產(chǎn)的專用LED照明燈，在不同光線條件下均能準(zhǔn)確生成真實(shí)全景影像照片。該設(shè)備采用的是相位式激光測距原理，擁有水平360°、垂直320°掃描范圍，掃描距離為0.3～187 m，在50 m處的線性誤差小于1 mm，25 m處點(diǎn)云分辨率為0.5 mm。

2 工程應(yīng)用研究

2.1 水工隧洞概況

某水電站引水系統(tǒng)由進(jìn)水口、進(jìn)水口事故閘門室、引水隧洞、上游調(diào)壓室、高壓管道等建筑物組成，采用4洞8機(jī)布置。進(jìn)水口事故閘門室采用洞內(nèi)豎井式布置，距離隧洞進(jìn)口約100 m。進(jìn)水口至上游調(diào)壓室的平均洞線長度約16.7 km，引水隧洞立面為緩坡布置，底坡3.65‰，由進(jìn)口底板高程1 618.00 m降至高程1 564.70 m與上游調(diào)壓室相接。4條引水隧洞全洞鋼筋混凝土襯砌，隧洞開挖直徑12.4～14.6 m，襯后直徑11.2～12.6 m，均長16.4 km，隧洞為特長大斷面水工隧洞。選擇3號引水隧洞作為三維激光掃描技術(shù)在水工隧洞隱患檢測中的應(yīng)用研究對象。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 控制測量

該水工隧洞長度大于10 km，若不進(jìn)行控制測量，誤差的傳遞與積累會造成最終測量結(jié)果的巨大誤差。因而，特長大斷面隧洞的控制測量應(yīng)根據(jù)隧洞線型走向、隧洞斷面尺寸、隧洞內(nèi)環(huán)境、儀器設(shè)備合理布設(shè)控制點(diǎn)，以構(gòu)建合理且滿足精度的控制網(wǎng)。

2.2.2 三維激光掃描

在隧洞內(nèi)進(jìn)行三維激光數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)質(zhì)量受掃描儀的掃描參數(shù)、掃描距離及角度的影響，因此采集數(shù)據(jù)時需要結(jié)合現(xiàn)場踏勘、隧道結(jié)構(gòu)及掃描儀參數(shù)制定合理的掃描方案。三維激光掃描儀布設(shè)在引水隧洞的中心線上，每一測站均采用Z+F IM?AGER 5010C掃描儀中Superhigh分辨率模式進(jìn)行掃描。三維激光掃描儀的掃描精度受掃描距離影響，盡管掃描范圍跟掃描距離成正比，但如果減少設(shè)站，采集的數(shù)據(jù)精度會隨著距離的增加而遞減[17]。為了使數(shù)據(jù)達(dá)到精度要求，必須增加設(shè)站，嚴(yán)格控制掃描距離。O.D.Lichti的試驗(yàn)表明，當(dāng)入射角大于65°時，三維激光掃描的點(diǎn)云誤差才開始急劇上升[18]。由測站間距S（m）、隧道內(nèi)徑D（m）所構(gòu)成的幾何關(guān)系可以得到每個測站點(diǎn)在掃描區(qū)間內(nèi)的最大入射角θmax：

若將測站距離設(shè)置為20 m，則根據(jù)公式（1）求得最大入射角為59°，滿足要求。此外，標(biāo)靶的布設(shè)方式如圖2所示，在兩個相鄰測站間布設(shè)2個標(biāo)靶，每站掃描均布置3排、每排2個標(biāo)靶，共6個標(biāo)靶。

圖2 三維激光掃描標(biāo)靶與測站點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.2 Layout of 3D laser scanning targets and measuring sta?tions

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點(diǎn)云去噪

采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，由于隧洞底部流水和壁面上水跡會對激光反射產(chǎn)生噪音干擾，會對后續(xù)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生干擾，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪。去噪方式包括按反射率去噪和按點(diǎn)間距去噪。筆者應(yīng)用各去噪方式所采用參數(shù)如下：（1）按反射率去噪：參數(shù)選擇范圍為1%～99%，即僅保留反射率在總反射率范圍中1%～99%間的點(diǎn)，去掉由于水面反射造成的幾乎沒有反射光的點(diǎn)和由鏡面反射造成的反射光很強(qiáng)的點(diǎn)。（2）按點(diǎn)間距去噪：參數(shù)選擇范圍為大于5 cm，即去掉由于距離過遠(yuǎn)造成點(diǎn)間距過大或在隧洞軸向方向沒有返回數(shù)據(jù)的點(diǎn)。

2.3.2 點(diǎn)云拼接

三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集過程中，由于水工隧洞體量大、環(huán)境復(fù)雜，需要對其進(jìn)行多站掃描以獲取完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為獲得研究對象的整體三維模型，將不同站掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合到同一坐標(biāo)系下，這個過程稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)或點(diǎn)云拼接。常用的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法有基于特征點(diǎn)的配準(zhǔn)和基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)[19-20]。對于水工隧洞的測量數(shù)據(jù)拼接，利用控制點(diǎn)文件和標(biāo)靶進(jìn)行配準(zhǔn)，以得到較高的配準(zhǔn)精度。將所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，依次將三維激光掃描的原始數(shù)據(jù)和標(biāo)靶的全站儀測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理軟件中，并在原始數(shù)據(jù)圖像中選擇標(biāo)靶點(diǎn)的位置，每一站掃描測站中需選擇3個以上的標(biāo)靶點(diǎn)，軟件將根據(jù)原始數(shù)據(jù)中標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入的全站儀測量所得的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，獲得將三維激光掃描原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全站儀測量的坐標(biāo)系統(tǒng)中所需的移動和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，利用該參數(shù)進(jìn)行整個原始數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從而完成三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。最終得到拼接標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.71 mm、平均偏差為1.45 mm的整幅點(diǎn)云模型，如圖3所示。

圖3 引水隧洞點(diǎn)云模型Fig.3 Point cloud modelof diversion tunnel

2.4 檢測結(jié)果及分析

2.4.1 隧洞形變分析

利用三維激光掃描儀在不同時期獲取的水工隧洞結(jié)構(gòu)表面數(shù)據(jù)，提取相同位置的斷面曲線進(jìn)行對比來分析水工隧洞的變形情況。以2016年和2018年掃描獲取的兩期隧洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過軟件分別對引水隧洞沿隧洞頂部軸線每隔5 m且在同一樁號處提取斷面，共制作斷面3 200多幅。2018年該引水隧洞K13+020處斷面如圖4所示。

圖4 2018年3號引水隧洞K13+020斷面圖Fig.4 Cross section K13+020 of diversion tunnel No.3 in 2018

斷面提取完成后，對同一樁號位置兩個時段的左、右和拱腰各三個形變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，即A、B、C、D、E和F，如圖5所示。計(jì)算隧洞全部斷面的A+F、B+E、C+D的值，分析其變化情況，由此判斷隧洞的變形情況。表1所示為整個隧洞A+F、B+E、C+D值在不同取值范圍內(nèi)所占的百分比，由表1可知，A+F值中-2～2 mm變形范圍占94.06%，B+E值中-2～2 mm變形范圍占95.21%，C+D值中-2～2 mm變形范圍占93.80%，說明隧洞整體結(jié)構(gòu)變形較小。

表1 引水隧洞中A+F、B+E和C+D計(jì)算結(jié)果所占百分比Table 1 Percentage of calculation results from A+F,B+E and C+D

圖5 2016～2018年K0+140斷面對比圖Fig.5 Comparison of section K0+140 in 2016～2018

2.4.2 裂縫識別

隧洞滲漏往往會在隧洞壁面掛有明顯的滲水痕跡，由于壁面滲水對激光反射強(qiáng)度有較大影響，導(dǎo)致隧洞中的滲水往往具有明顯的色調(diào)特征，在正射影像圖中易于辨識。因此，采用隧洞壁面水跡特征對裂縫進(jìn)行初始判別，但隧洞中的水跡會呈現(xiàn)出不同的形態(tài)特征，結(jié)合現(xiàn)場裂縫調(diào)查結(jié)果，其主要表現(xiàn)特征如表2所示。

表2 引水隧洞表觀滲水水跡特征Table 2 Trace characteristics of leakage water from diversion tunnel

根據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)正射投影模型，將每一掃描測站樁號前后各17 m、頂部中線左右各17 m（即設(shè)計(jì)圖中左右洞壁面）的數(shù)據(jù)投影到投影模型上，做成每一站掃描的正射影像圖。正射影像圖的長邊為隧洞軸向，將隧洞拱頂及左右側(cè)壁圖像展開形成隧洞正射影像展示圖，見圖6。根據(jù)正射影像展示圖，結(jié)合隧洞裂縫滲水的水跡特征，解譯識別裂縫，并提取裂縫的長度、位置等信息進(jìn)行裂縫勾繪，識別結(jié)果如圖7所示。

圖6 正射投影與斷面對應(yīng)關(guān)系圖Fig.6 Corresponding relationship between orthographic projection and cross section

圖7 裂縫識別結(jié)果圖Fig.7 Results of fracture identification

3 結(jié)語

利用三維激光掃描技術(shù)獲取隧道表觀的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對某水工隧洞進(jìn)行整體形變分析和表觀裂縫識別。研究過程與結(jié)果表明，三維激光掃描可準(zhǔn)確、快速獲取隧洞的裂縫、滲漏等缺陷信息和空間數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)檢測方法，極大提高了作業(yè)效率。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)檢測隧洞病害隱患，可建立水工隧洞健康檔案，為實(shí)現(xiàn)隧洞全壽命周期安全管控提供更精準(zhǔn)、更完備的數(shù)據(jù)支撐。