基于移動三維激光掃描的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測方案研究與應(yīng)用

張 琰，孔祥思，徐西桂

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京 100007)

隨著我國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大。地鐵作為現(xiàn)代化的大型公共基礎(chǔ)交通工具,展現(xiàn)了其安全、高效、綠色節(jié)能的巨大優(yōu)勢,成為解決城市交通擁堵的重要途徑[1-2]。地鐵長期運營過程中受各種因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能發(fā)生退化。多種結(jié)構(gòu)病害如隧道環(huán)片變形、裂縫、滲水等，這些病害如果不予以控制將嚴重危害列車的行車安全。為保證運營隧道的安全，需要對隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況進行定期檢測，為隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評價及養(yǎng)護維修提供依據(jù)。

目前隧道結(jié)構(gòu)檢測主要困難有：地鐵作業(yè)天窗點短；分類監(jiān)測效率低、操作復(fù)雜、監(jiān)測點不足；隧道空間狹小存在一定的安全隱患[3-4]。針對傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測的不足，本文提出了一種基于移動激光掃描的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測解決方案。首先，利用2D斷面掃描儀與軌道小車相結(jié)合，通過多傳感器控制系統(tǒng)實現(xiàn)隧道三維點云數(shù)據(jù)獲??；其次，通過自動分析軟件對隧道結(jié)構(gòu)進行各類病害提取與輸出；最后，利用綜合數(shù)據(jù)管理平臺對隧道健康監(jiān)測的成果進行管理與分析。該方案打破了傳統(tǒng)監(jiān)測手段諸多不足，不僅實現(xiàn)一次采集，多類型監(jiān)測，提高了監(jiān)測作業(yè)效率；而且利用數(shù)據(jù)管理平臺對監(jiān)測成果進行綜合管理分析，為地鐵運營的科學(xué)管理提供強大的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)，是未來地鐵運營監(jiān)測與管理的新方向。

1 移動三維激光掃描系統(tǒng)

移動三維掃描技術(shù)發(fā)展迅速，測量效率、測量精度都有了大幅的提高，而該技術(shù)恰巧能解決目前隧道監(jiān)測中測量作業(yè)時間短以及測量范圍不足等問題[5-6]。本文采用武漢大學(xué)毛慶洲教授研發(fā)的移動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以軌道小車為載體集成2D斷面激光掃描儀、GNSS/IUM定位定姿系統(tǒng)和DMI(里程計)等多種傳感器，通過計算機同步控制單元實現(xiàn)隧道三維信息的快速獲取[7-8]。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本文采用的移動測量系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要有：2D斷面掃描儀、GNSS接收器、慣性導(dǎo)航單元(IMU)、里程計(DMI)、微電腦控制單元、電源管理系統(tǒng)、鋁合金軌道推車等，如圖1所示。

圖1 移動測量系統(tǒng)組成

2D斷面掃描儀：該系統(tǒng)采用德國Z+F9012斷面掃描儀，可實現(xiàn)在垂直于運動方向進行360°斷面掃描采集。該掃描儀轉(zhuǎn)速高達200轉(zhuǎn)/s，可輕松實現(xiàn)每秒采集100萬個點，每個掃描點包含該點相對掃描中心的距離值和角值信息。

GNSS接收機：軌道車推行過程中實時獲取掃描儀的定位信息，對掃描儀進行精確定位，為獲取的點云數(shù)據(jù)建立高精度的空間基準。

慣性測量單元(IMU):主要用于移動測量系統(tǒng)推行過程中實時測量掃描儀XYZ三個方向的瞬時加速度、瞬時角速度、調(diào)節(jié)和溫度補償,實現(xiàn)掃描儀姿態(tài)的實時獲取，為后續(xù)數(shù)據(jù)計算提供依據(jù)。

里程計(DMI):通過測定計軸器旋轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度，可準確獲取載體的里程、速度等信息，為隧道點云處理時里程修正提供參考依據(jù)。

微電腦控制單元:主要用于測量系統(tǒng)的各種傳感器集成和同步控制，保證數(shù)據(jù)采集的時間和空間基準的統(tǒng)一性。

電源管理系統(tǒng)：為各種精密傳感器、內(nèi)置計算機、2D斷面掃描儀提供電力供應(yīng)和管理。

鋁合金軌道推車：鋁合金車架結(jié)合絕緣輪轂，通過定位孔將多種設(shè)備精密集成，既保證設(shè)備推行過程中精度需要，又避免了對鐵軌的傷害。

1.2 同步控制系統(tǒng)

同步控制系統(tǒng)是該移動測量系統(tǒng)的指揮系統(tǒng)，推行過程中各種傳感器某一時刻測量出來的數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一的時間坐標關(guān)聯(lián)起來，保證測量結(jié)果的可靠性[9]。為了減輕計算機的工作任務(wù)并提高系統(tǒng)的同步精度，移動測量系統(tǒng)通過一個時間同步控制器實現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的同步記錄。為了提高時間同步控制器的時間精度，將GNSS系統(tǒng)輸出的時間信號和PPS信號引入至?xí)r間同步控制器，對時間同步控制器進行對時處理，如圖2所示。

圖2 同步控制系統(tǒng)

2 移動三維激光隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法

2.1 數(shù)據(jù)采集方式

移動式三維激光掃描儀與傳統(tǒng)三維激光掃描儀不同，傳統(tǒng)三維激光掃描儀通過激光發(fā)射器和機身同時旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)采集，移動式三維激光掃描儀采用2D斷面掃描儀在垂直于小車前進方向做二維斷面掃描，在推行空間上螺旋采集的方式進行空間三維數(shù)據(jù)獲取[10-11]。采集的點云數(shù)據(jù)以激光發(fā)射中心為原點，以前進的方向為Y軸構(gòu)成空間坐標系，獲取隧道中海量線性點云數(shù)據(jù)。該掃描方式克服了站式掃描儀作業(yè)效率低、點云拼接繁瑣的缺點，大大提高了隧道數(shù)據(jù)獲取的效率，更加符合地鐵隧道結(jié)構(gòu)特點。移動三維激光掃描采集方式及獲取的三維點云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 移動三維激光掃描采集方式和獲取的點云數(shù)據(jù)

隨著推行時間和里程的不斷增加，可獲取隧道結(jié)構(gòu)大量點云數(shù)據(jù)。高密度點云可對隧道結(jié)構(gòu)整體形態(tài)進行恢復(fù)，為隧道結(jié)構(gòu)形變分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理分析與成果輸出

移動三維激光掃描獲取的三維點云數(shù)據(jù)真實還原了隧道結(jié)構(gòu)形態(tài)，如何通過海量的點云數(shù)據(jù)精確地提取隧道各項參數(shù)指標，是隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測核心。本文利用自動化三維點云處理軟件，如圖4所示，實現(xiàn)三維點云數(shù)據(jù)自動去燥配準、正射影像制作、工程切分、點云收斂分析、錯臺分析、滲漏水檢測、裂縫檢測等一系列內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與分析。

圖4 三維點云處理軟件界面

自動化三維點云處理軟件將不同的監(jiān)測成果分別按照不同類型和格式進行輸出。下面針對不同成果的處理分析方法進行簡要介紹：

數(shù)據(jù)配準：針對多種傳感器測量數(shù)據(jù)的融合，將各傳感器數(shù)據(jù)與三維點云進行配準，配準點云與軌道面的空間位置,為精確提取隧道斷面提供保障。

正射影像制作：以特定步長的柵格對點云劃分，將該柵格內(nèi)點云的強度平均值作為該柵格的灰度值，實現(xiàn)點云柵格化,沿軌道中心線將灰度影像進行展開，獲得隧道高清正射影像。

工程切分：為了減輕計算機壓力，提高軟件運行效率，針對隧道結(jié)構(gòu)的特點對掃描數(shù)據(jù)以單個區(qū)間為節(jié)點進行切分，同時方便后期數(shù)據(jù)管理。

水平收斂分析：首先，自動識別技術(shù)識別環(huán)片拼接縫，進而確定環(huán)片的位置和寬度；其次，根據(jù)環(huán)片信息對所有環(huán)片進行逐環(huán)斷面提??；最后，利用提取的斷面點云對環(huán)片的橢圓度及水平直徑進行測量。

錯臺分析：分別在距離環(huán)片接縫5 cm左右處相鄰的兩個環(huán)片上，各取一定寬度的點云數(shù)據(jù)，從而分別獲取相鄰環(huán)片的兩個斷面點云，將代表相鄰環(huán)片形狀的兩個斷面進行疊加分析，獲取相鄰環(huán)片的錯臺變化信息。

滲漏水及裂縫檢測：通過圖像自動識別方法，利用隧道高清正射影像圖自動識別隧道內(nèi)部的滲水、洇濕、裂縫等病害信息。并自動計算病害的位置及大小，以報表形式對病害信息進行統(tǒng)計。

自動化點云處理軟件集成不同數(shù)據(jù)分析模塊，輕松實現(xiàn)一次掃描數(shù)據(jù)多種監(jiān)測需求。通過成果導(dǎo)出模塊對各種監(jiān)測成果自動批量導(dǎo)出，大大提高內(nèi)業(yè)作業(yè)效率，部分成果類型如圖5所示。

圖5 移動三維激光掃描監(jiān)測成果類型

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合管理平臺

移動三維激光掃描監(jiān)測系統(tǒng)，其成果豐富、效率高、數(shù)據(jù)量大。為了充分發(fā)揮監(jiān)測成果的作用，更加全面地分析地鐵隧道的結(jié)構(gòu)健康狀況。我院針對地鐵監(jiān)測業(yè)務(wù)需求研發(fā)一套強大的運營監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺。該平臺采用B/S架構(gòu)設(shè)計，用戶直接通過瀏覽器網(wǎng)頁輸入授權(quán)賬號訪問即可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理，不僅實現(xiàn)了移動三維激光監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理分析，而且還集成了傳統(tǒng)運營監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊、地鐵保護區(qū)監(jiān)測模塊及視頻實時監(jiān)控模塊等。該平臺在武漢、鄭州、南京、蘇州等多個城市得到應(yīng)用，深受地鐵運營管理單位的青睞。平臺界面如圖6所示。

圖6 運營監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺

數(shù)據(jù)管理平臺對成果數(shù)據(jù)集中管理與分析，將多源監(jiān)測成果進行綜合對比，在空間和時間多個維度上分析隧道結(jié)構(gòu)的變化狀態(tài)，為管理者準確掌握隧道變化情況、科學(xué)做出預(yù)判，提供強大的支持。

4 工程項目應(yīng)用與分析

本文以武漢工程項目為例，通過某區(qū)間數(shù)據(jù)成果分析說明方案在未來地鐵運營監(jiān)測中的巨大優(yōu)勢。

4.1 項目概況

武漢軌道交通2號線一期和4號線單線全長共計100 km，共有5萬個環(huán)片。武漢2號線和4號線均為過江線路，承擔了武漢絕大多數(shù)公交過江的客運量，對解決武漢市跨江交通難題，緩解武漢長江大橋、武漢長江二橋的交通壓力有著重要意義。

本項目在不影響列車正常運營的情況下，采用文中解決方案50天內(nèi)順利完成所有外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，且采集成果為逐環(huán)采集,比傳統(tǒng)監(jiān)測范圍更加全面。在新的作業(yè)模式下，車載移動測量技術(shù)節(jié)省了4/5的人力資源，相同時間內(nèi)可完成工作量至少為原來作業(yè)模式的10倍，實現(xiàn)隧道水平收斂、斷面分析、錯臺分析、限界分析、病害調(diào)查等需多次上線才能完成的作業(yè)內(nèi)容，上線一次即可全部解決。

4.2 成果分析

由于項目數(shù)據(jù)量較大，本文通過對隨機選取的某一區(qū)間數(shù)據(jù)進行分析。該區(qū)間共計693環(huán)，為了驗證設(shè)備穩(wěn)定性，對該區(qū)間在同一時間內(nèi)進行兩次掃描，兩次監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 某區(qū)間監(jiān)測結(jié)果

同時為了驗證監(jiān)測結(jié)果的可靠性，對該區(qū)間采用全站儀隨機選取一定環(huán)片進行驗證，三維激光掃描方法監(jiān)測結(jié)果和全站儀監(jiān)測結(jié)果對比情況如表1所示，將兩種方法的水平收斂監(jiān)測結(jié)果進行對比，其中均值為-2 mm。

表1 精度對比分析

通過實驗結(jié)果可知項目兩次監(jiān)測結(jié)果吻合，全站儀驗證精度可靠，隨著項目不斷開展，兩條運營地鐵線路采用本文方案僅兩個月即實現(xiàn)全線的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，大大提高了數(shù)據(jù)采集與處理的速度，而且監(jiān)測成果精度完全滿足地鐵隧道監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，多期數(shù)據(jù)存檔分析，為未來構(gòu)建智慧地鐵大數(shù)據(jù)管理提供良好數(shù)據(jù)積累。

5 結(jié) 論

本文基于移動三維激光掃描的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測方案，積極采用新技術(shù)、新方法、創(chuàng)新思維。通過新興移動三維激光掃描監(jiān)測系統(tǒng)對隧道結(jié)構(gòu)進行全面監(jiān)測，結(jié)合數(shù)據(jù)管理平臺對數(shù)據(jù)進行綜合分析，構(gòu)成一套科學(xué)全面的地鐵運行監(jiān)測方案，并通過項目驗證方案的可行性及可靠性，為未來智慧地鐵運行管理開拓了新方法、新思路。