三維激光移動掃描系統(tǒng)在地鐵盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用研究

胡玉祥，劉寶華，張洪德 ，范珊珊，熊文輝，孟慶年

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266000；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

地鐵投入使用后，隨著環(huán)境變換以及后期結(jié)構(gòu)使用劣化，地鐵隧道不可避免出現(xiàn)各種病害，如何快速、準確、可靠地檢測各種病害，做出可行性評估，提前采取各種有力措施，保證地鐵線路的平穩(wěn)運行成為地鐵運營階段的重點和難點。常規(guī)病害檢測的方法是借助全站儀、站式三維掃描儀等，通過人工巡視，確認并記錄位置，但傳統(tǒng)手段費時費力、成本高且數(shù)據(jù)表達不夠直觀。隨著三維激光掃描技術(shù)、數(shù)字影像技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)以及測繪技術(shù)的發(fā)展，短時間內(nèi)快速獲取隧道的狀態(tài)成為可能，借助三維激光移動掃描系統(tǒng)，可以快速、高效、準確地獲得運營隧道的空間信息，通過后期的點云處理、影像配對、影像正射數(shù)字化，借助影像匹配算法可以準確識別裂縫、漏水以及管片錯臺等相關(guān)病害信息。移動軌道掃描車以人步行速度向前推進，借助慣導(dǎo)系統(tǒng)以及圖像獲取設(shè)備，全息、全面、快速獲取整個隧道相關(guān)信息，通過專業(yè)化后處理軟件處理，可實現(xiàn)軌面線、結(jié)構(gòu)中心線及斷面的提取，收斂、橢圓度、旋轉(zhuǎn)、錯臺、接觸網(wǎng)導(dǎo)高分析，侵界檢測，里程配付等功能；根據(jù)點云反射率，生成隧道壁正射影像圖，可自動或人工識別滲水等病害信息并進行標注。

隧道結(jié)構(gòu)病害對于地鐵安全運營至關(guān)重要，通過三維激光掃描技術(shù)，迅速獲取三維點云數(shù)據(jù)，可建立整條地鐵線路的病害數(shù)據(jù)庫。利用掃描生成的站臺及隧道點云數(shù)據(jù)，通過三維建模軟件，可以完成三維模型構(gòu)建，通過采集車站及隧道紋理，完成三維模型的可視化展示。生成的模型可以用于展示、漫游，也可以作為保護區(qū)監(jiān)測等數(shù)據(jù)可視化展示的基礎(chǔ)；建立的病害數(shù)據(jù)庫可以用作決策、預(yù)防、后期對比應(yīng)用，建立整條線路的智慧信息化系統(tǒng)平臺，為線路運營安全預(yù)防及調(diào)度提供保障。

2 地鐵隧道全息數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維激光移動掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新的綜合測量技術(shù)，它是集激光掃描技術(shù)、實時定位技術(shù)、姿態(tài)測量技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)為一體的檢測系統(tǒng)，在鐵路、地鐵結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境檢測領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，尤其適合于竣工后的地鐵隧道空間結(jié)構(gòu)檢測。三維激光移動掃描系統(tǒng)采集與處理系統(tǒng)軟件是基于隧道內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境，實現(xiàn)在隧道內(nèi)移動快速采集激光掃描數(shù)據(jù)，并在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中實現(xiàn)直徑收斂和管片錯臺的形變數(shù)據(jù)解算，且可根據(jù)項目需求定制報表模板，一鍵自動生成直徑收斂、錯臺、滲漏病害等專題報表。

2.1 三維掃描基礎(chǔ)理論

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。地面三維掃描系統(tǒng)一般使用儀器自定義的坐標系統(tǒng)：坐標原點位于掃描儀中心，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描面組成左手坐標系，如圖1所示。

圖1 掃描坐標系

激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號測算出原點O距激光掃描點的距離S；激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精確控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描，測得每個脈沖激光的橫向掃描角度α和縱向掃描角度θ。由此，可計算出掃描激光點在被測物體上的三維坐標為[3]：

(1)

2.2 三維激光移動掃描系統(tǒng)組成

三維激光移動掃描系統(tǒng)能夠?qū)λ淼兰爸苓厡崿F(xiàn)全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內(nèi)都可以正常使用。該系統(tǒng)有著獨一無二的安裝設(shè)計，在隧道維護與整修環(huán)節(jié)能夠縮短項目周期，并提供測繪級精度的三維點云。

移動隧道掃描系統(tǒng)(圖2)通過整合強大的非接觸式里程計，可以在沒有GNSS信號的地鐵隧道里精確定位。

通過整合三維激光掃描儀、里程計、軌距測量儀等多種傳感器，三維激光移動掃描系統(tǒng)可獲取高質(zhì)量的三維點云數(shù)據(jù)及專業(yè)的軌道檢測維護成果，電動前進無須停留，軌檢效率高達 5.4 km/h。適用于軌道檢測、線路管理維護、竣工分析、限界測量、凈空測量、軌道探傷等多個領(lǐng)域。

圖2 三維激光移動掃描系統(tǒng)組成

2.3 數(shù)據(jù)采集流程

三維激光移動掃描隧道全息數(shù)據(jù)采集工作主要包括作業(yè)前準備、現(xiàn)場作業(yè)以及作業(yè)結(jié)束整理等步驟(如圖3所示)。

使用配套的數(shù)據(jù)采集軟件，建立項目，設(shè)置相關(guān)的掃描參數(shù)：作業(yè)方式、作業(yè)順序、隧道類型以及其他相關(guān)信息。在作業(yè)過程中還需要采集軌距相關(guān)信息，用連接線將采集設(shè)備軌距傳感器接口與筆記本電腦或工業(yè)平板電腦進行連接，然后點擊現(xiàn)場作業(yè)下的軌距，選擇對應(yīng)的COM端口和采集頻率后點擊連接軌距傳感器。連接成果后可以點擊開始進行測量，點擊結(jié)束完成測量。

圖3 作業(yè)流程

2.4 數(shù)據(jù)處理

(1)參數(shù)設(shè)置

對于盾構(gòu)隧道，每一環(huán)都是有固定的6片管片拼裝而成，只是順序有差異，對于環(huán)片錯臺量計算首先需要設(shè)置6片管片的空間相對角度關(guān)系，這個角度對于不同地區(qū)可能略有差異，但通常一個地方是固定的。另外還得設(shè)置環(huán)寬和直徑等相關(guān)信息，管片參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4 管片參數(shù)設(shè)置

(2)影像標記

導(dǎo)入掃描的點云數(shù)據(jù)后，首先進行點云預(yù)處理，將點云數(shù)據(jù)展開成正射影像，通過KP塊完成數(shù)據(jù)糾正，此過程就是逐環(huán)標記KP塊位置，為后續(xù)點云處理提供位置信息。如圖5所示標記框，對于環(huán)號默認從1開始，也可進行手動更改；設(shè)置好環(huán)寬和初始里程后，隨著環(huán)號的增加，里程依次增加。

圖5 KP塊標記示意圖

(3)數(shù)據(jù)解算

經(jīng)過上述過程后，下一步需要進行數(shù)據(jù)解算，解算需要設(shè)置參數(shù)：收斂測量、管片錯臺、過濾道床、隧道起止、軌道參數(shù)、儀器高度，錯臺閾值等(如圖6所示)。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，一鍵處理即可得到相關(guān)數(shù)據(jù)，還支持報表導(dǎo)出、視頻漫游等功能。

圖6 參數(shù)設(shè)置示意圖

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算功能主要可以實現(xiàn)如下：

①隧道結(jié)構(gòu)形變處理：可實現(xiàn)軌面線、結(jié)構(gòu)中心線的提??；斷面提取；收斂、橢圓度、旋轉(zhuǎn)、錯臺、接觸網(wǎng)導(dǎo)高分析；侵界檢測；里程配付等功能。

②病害檢測系統(tǒng)：根據(jù)點云反射率，生成隧道壁正射影像圖，可自動或人工識別滲水等病害信息并進行標注。

3 三維激光移動掃描系統(tǒng)在地鐵隧道中的應(yīng)用

三維激光移動掃描系統(tǒng)通過在軌道上運行獲取整個隧道正射影像及三維空間點云，通過后期的點云處理、影像配對、影像正射數(shù)字化，借助影像匹配算法可以準確識別裂縫、漏水以及管片錯臺等相關(guān)病害信息。同時可實現(xiàn)相關(guān)幾何尺寸的提取，進而得到相關(guān)的侵界分析情況。以青島市勘察測繪研究院中標的青島地鐵2號線運營監(jiān)測項目，選取某個區(qū)間的三維激光移動掃描數(shù)據(jù)，進行相關(guān)的分析。

3.1 侵界分析

限界分析就是分析盾構(gòu)區(qū)間環(huán)線斷面尺寸和設(shè)計尺寸的差異，如果實際尺寸和設(shè)計尺寸相差較大，就會造成后續(xù)軌道鋪設(shè)以及設(shè)備安裝等過程不能正常進行。經(jīng)過移動掃描系統(tǒng)掃描后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過后期處理，對指定里程的點云進行切割、離散化處理，就可以得到對應(yīng)里程的斷面尺寸，然后和設(shè)計斷面進行對比即可獲得該里程的限界分析結(jié)果，地鐵隧道限界尺寸示意圖和分析圖如圖7所示。

圖7 地鐵隧道限界尺寸示意圖和分析圖

3.2 錯臺分析

錯臺分析包括環(huán)與環(huán)之間的錯臺以及環(huán)之間管片與管片之間的錯位，如圖8、圖9所示，經(jīng)過2.4中(1)的參數(shù)設(shè)置后，可以計算出指定里程的管片之間以及環(huán)與環(huán)之間的位移量。

圖8 錯臺環(huán)與環(huán)分析圖

圖9 錯臺環(huán)分析圖

3.3 滲水分析

三維激光移動掃描系統(tǒng)獲取的三維點云數(shù)據(jù)中不僅包含坐標信息，還包含反射強度信息，利用RGB反射強度信息可以判讀出滲水信息，如圖10、圖11所示。

圖10 里程YK11+681處有滲水

4 結(jié) 論

三維激光移動掃描系統(tǒng)是借助軌道小車，將傳統(tǒng)的站式掃描儀固定在小車上，實現(xiàn)勻速掃描獲取隧道空間三維點云數(shù)據(jù)的過程。由于在掃描過程中可以保持勻速前進，因而可以保證整個區(qū)間隧道點云密集程度的一致性，從而可以獲取高質(zhì)量正射影像。通過圖像識別技術(shù)可以從影像信息中獲取比如滲水、裂縫等病害信息，極大提高了作業(yè)效率。三維激光點云數(shù)據(jù)同時含有三維坐標信息，因而可以獲取比如空間尺寸、限界分析等與空間形態(tài)有關(guān)的幾何信息。同時三維激光點云數(shù)據(jù)可以作為隧道的原始數(shù)據(jù)存檔，用于后續(xù)的線路規(guī)劃、檢查、展示等二次開發(fā)利用。本文借助青島地鐵2號線某盾構(gòu)隧道區(qū)間，分析了三維激光移動掃描系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用，為類似工程提供很好的借鑒。

圖11 區(qū)間滲水情況影像強度示意圖

但從目前來看，三維激光移動掃描系統(tǒng)在地鐵隧道中的應(yīng)用有待進一步的提升和擴展，尤其是點云數(shù)據(jù)處理算法方面有待進一步深入。隨著各個地區(qū)城市軌道交通的迅速發(fā)展，加之測繪技術(shù)手段日新月異，三維激光掃描技術(shù)勢必會在地鐵中得到廣泛的應(yīng)用。