移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面檢測(cè)中的應(yīng)用

丁孝兵，楊坤，陸慶蝦

(佛山市測(cè)繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000)

1 引 言

21世紀(jì)以來(lái)，具有節(jié)能、快捷和大運(yùn)量特征的城市軌道交通建設(shè)愈趨受到眾多城市的關(guān)注，成為城市公共交通的重要組成部分，軌道交通猶如城市的血管脈搏，為城市注入生命與活力。在軌道交通建設(shè)中，盾構(gòu)法因施工速度快、自動(dòng)化程度高以及對(duì)地面交通影響等原因，在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用。然而由于盾構(gòu)隧道所處的地質(zhì)條件、周邊臨近工程施工、建筑荷載、列車日常運(yùn)營(yíng)振動(dòng)等影響，會(huì)導(dǎo)致隧道變形，存在嚴(yán)重的安全隱患，因此，應(yīng)對(duì)地鐵隧道定期開(kāi)展檢測(cè)，以確保其安全運(yùn)營(yíng)。傳統(tǒng)的隧道檢測(cè)方法觀測(cè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低。近年來(lái)雖然靜態(tài)三維激光掃描技術(shù)已被用到地鐵測(cè)量，但為了獲取質(zhì)量好的數(shù)據(jù)，需要不斷換站掃描及布設(shè)標(biāo)靶。移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)的興起，有效避免了上述方法的不足，使得地鐵隧道檢測(cè)工作更加高效、便捷。本文在闡明應(yīng)用移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，介紹了利用該技術(shù)開(kāi)展斷面檢測(cè)的關(guān)鍵流程，并以珠三角某市地鐵總計(jì) 6 km的盾構(gòu)隧道掃描實(shí)踐為例，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析以驗(yàn)證該方法的可靠性、高效性。

2 隧道移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集采用的是合作單位自主研發(fā)的隧道移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件部分主要由3個(gè)組成部分(如圖1所示)，包括軌道小車、三維激光掃描儀和里程傳感器。軌道小車為本系統(tǒng)的運(yùn)行提供動(dòng)力和平臺(tái)載體，采用高精度步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)可按照設(shè)定的速度檔位輸出恒定的轉(zhuǎn)速，滿足運(yùn)行穩(wěn)定的要求，小車輪子的材料采用耐磨的絕緣材料，車輪與軌道的摩擦系數(shù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，保證小車勻速運(yùn)動(dòng)。三維激光掃描儀采用法如Focus 3D X330掃描儀，該掃描儀支持球形掃描和螺旋線掃描(斷面掃描)模式，其中螺旋線模式專為移動(dòng)掃描提供。里程傳感器主要用于對(duì)軌道車進(jìn)行里程定位，本次采用的是霍爾傳感器。此外，系統(tǒng)還集成了微電腦控制系統(tǒng)，控制軌道小車、掃描儀和傳感器以及數(shù)據(jù)存取。

圖1 隧道移動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)

2.2 掃描數(shù)據(jù)處理

隧道移動(dòng)三維激光掃描每秒可獲取上百萬(wàn)點(diǎn)云，采集的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不可避免地存在噪聲點(diǎn)，因此，需對(duì)以上噪聲點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和刪除。同時(shí)由于移動(dòng)掃描采用的是螺旋線掃描模式，y坐標(biāo)(軌道中線切線方向)幾乎為零，故需要首先利用里程定位信息還原隧道點(diǎn)云三維坐標(biāo)。由于里程定位誤差及沒(méi)有掃描儀精確的姿態(tài)信息，此時(shí)點(diǎn)云并非準(zhǔn)確的隧道管片點(diǎn)云坐標(biāo)，仍無(wú)法進(jìn)行隧道整體變形分析，但可根據(jù)預(yù)制管片環(huán)寬固定的特點(diǎn)采用逐環(huán)提取的方式，對(duì)單一環(huán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。此外，為獲得最終的隧道橫斷面、橢圓度及水平直徑等信息，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀壓縮、橢圓擬合、隧道中軸線提取、橫斷面、水平直徑解算及隧道內(nèi)壁影像等。具體流程如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

(1)點(diǎn)云去噪

隧道掃描采集的點(diǎn)云噪聲主要是盾構(gòu)管片的螺栓孔、注漿孔螺帽、照明設(shè)備、各類管線、人行平臺(tái)、電箱及其他管壁附屬設(shè)施等，此外掃描儀也會(huì)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)。點(diǎn)云噪聲剔除的方法有很多如高斯濾波、拉普拉斯算子、平均曲率流、半徑濾波、雙邊濾波等。對(duì)于盾構(gòu)隧道特殊的形狀，本文采用基于切片的點(diǎn)云去噪算法，首先通過(guò)最小包圍盒確定隧道延伸方向，然后基于隧道延伸方向，對(duì)隧道進(jìn)行分段提取切片。接著對(duì)每個(gè)切片進(jìn)行橢圓擬合，最后根據(jù)各點(diǎn)擬合殘差v是否大于2倍擬合標(biāo)準(zhǔn)差σ，識(shí)別并剔除噪聲點(diǎn)。

(2)橫斷面及水平直徑解算

盾構(gòu)隧道的變形主要集中于襯砌連接螺栓接縫位置，隧道變形往往與錯(cuò)臺(tái)變形同步發(fā)展。為確保擬合圖形與實(shí)際的一致性，提高解算精度，本文采用如圖3所示的橢圓分段擬合方法。

圖3 橢圓分段擬合

利用圓的擬合方程，對(duì)1、2、3、4、5段圓弧進(jìn)行擬合，得到5個(gè)圓弧的圓心(x1，y1)，(x2，y2)…(x5，y5)和5個(gè)半徑R1、R2、R3、R4、R5考慮到天頂上海鷗塊較短，數(shù)據(jù)點(diǎn)少，因此權(quán)重較小，最后使用1、2、4、5弧段的圓心的重心作為該斷面的中心o(x0，y0)，其中：

(1)

由于每段隧道各圓弧的接縫處點(diǎn)相對(duì)位置是固定的，因此圓弧的起始角度和終止角度可根據(jù)實(shí)際情況預(yù)先設(shè)定，該隧道圓方程可寫(xiě)為：

(2)

該圓上一點(diǎn)到隧道圓擬合中心C(X0，Y0)的距離d就可以寫(xiě)為：

取極角90°的斷面點(diǎn)距離d1與極角為270°的斷面點(diǎn)距離d2之和作為斷面的水平直徑d。

3 應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目概況

珠三角某市地鐵隧道埋深10.5 m～22.4 m，最大站間距 2.72 km，最小站間距 1.05 km，平均站間距 1.23 km。為獲取隧道初始狀態(tài)本次累計(jì)對(duì)6段區(qū)間共計(jì) 6 km的線路采用隧道移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)獲取了 3 866個(gè)盾構(gòu)管片的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)本文所述方法利用自主開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件解算出隧道橫斷面、水平直徑，并生成隧道內(nèi)壁影像。

3.2 數(shù)據(jù)采集及注意事項(xiàng)

(1)作業(yè)準(zhǔn)備

使用前測(cè)試輪子與車體的絕緣性，檢查可分解部件檢查連接是否穩(wěn)固，確認(rèn)電機(jī)是否能夠正常驅(qū)動(dòng)，檢查必要的工具是否齊備。首先將車體安置在軌道上，然后將可拆卸部件安裝在車體上，再將儀器臺(tái)和儀器設(shè)備安置在車體上，可在 5 min內(nèi)完成組裝。

(2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

檢查確認(rèn)車輛各部件是否正常工作，設(shè)置正確的速度檔位、儀器參數(shù)和其他要素，確保掃描斷面與隧道中軸線垂直，開(kāi)始軌道上的移動(dòng)掃描測(cè)量。測(cè)量作業(yè)期間，軌道小車前方應(yīng)設(shè)專人作為引導(dǎo)員以提前發(fā)現(xiàn)不利作業(yè)因素。此外應(yīng)注意軌道道床中間突出的停車限位裝置、軌道內(nèi)側(cè)的涂油機(jī)噴油頭、支撐軌距的橫桿連接裝置、計(jì)軸計(jì)、斷電絕緣頭、其他車輛的避讓、小半徑轉(zhuǎn)彎或通過(guò)道岔時(shí)的通過(guò)性以及大坡度區(qū)段防止軌道小車溜坡。

3.3 成果分析

本次掃描成果主要包括隧道橫斷面圖、隧道斷面水平直徑及隧道內(nèi)壁正射影像圖，同時(shí)對(duì)上述成果進(jìn)行了分析。

(1)隧道橫斷面

在確保掃描斷面垂直隧道中軸線的前提下，每個(gè)掃描斷面均為隧道橫斷面。結(jié)合里程信息和影像中的環(huán)號(hào)信息，即可提取指定環(huán)號(hào)或指定里程的隧道橫斷面。圖4為1#區(qū)間線路第8環(huán)隧道橫斷面圖。

圖4 隧道橫斷面

圖5 隧道斷面擬合標(biāo)準(zhǔn)差

為說(shuō)明斷面擬合情況，圖5統(tǒng)計(jì)了兩個(gè)區(qū)間的擬合標(biāo)準(zhǔn)差，從圖中可知，逐環(huán)斷面擬合標(biāo)準(zhǔn)差小于 5 mm，95%的斷面擬合成果標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于 3 mm，說(shuō)明在點(diǎn)云噪聲處理中選擇了適合的閾值，可初步看出獲得了可靠的斷面成果。

(2)隧道水平直徑

每個(gè)隧道環(huán)片等距提取5個(gè)切片分別擬合，利用分段擬合方法獲取斷面，取極角90°的斷面點(diǎn)距離與極角270°的斷面點(diǎn)距離之和，即可得出該斷面的水平直徑，取平均值作為該環(huán)片最終的水平直徑。以1#、2#區(qū)間逐環(huán)水平直徑統(tǒng)計(jì)為例，如圖6所示，共選取了770環(huán)隧道移動(dòng)掃描數(shù)據(jù)，曲線整體趨勢(shì)平穩(wěn)，除首尾段外(受現(xiàn)場(chǎng)施工影響)水平直徑平滑過(guò)渡，與實(shí)際情況較為穩(wěn)合，初步說(shuō)明了解算成果的可靠性。

圖6 區(qū)間逐環(huán)水平直徑統(tǒng)計(jì)

為進(jìn)一步驗(yàn)證隧道水平直徑解算可靠性，表1統(tǒng)計(jì)了某兩環(huán)水平直徑解算的中誤差。由表1可知，每個(gè)隧道環(huán)片內(nèi)計(jì)算的水平直徑間最大差值分別為 1.04 mm、 1.42 mm，水平直徑中誤差均在 1 mm以內(nèi)，說(shuō)明了解算成果的可靠性。

隧道水平直徑中誤差統(tǒng)計(jì) 表1

為驗(yàn)證解算成果的外符合精度，本次利用拓普康MS05全站儀，按照每10環(huán)采集一個(gè)水平直徑數(shù)據(jù)，共計(jì)采集386個(gè)斷面水平直徑數(shù)據(jù)，對(duì)比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖7所示：

圖7 全站儀與掃描儀水平直徑差值比較

由圖7可知，隧道移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)與全站儀采集數(shù)據(jù)差值在 ±5 mm以內(nèi)，差值在 ±3 mm以內(nèi)的占94%。因此，隧道移動(dòng)三維激光掃描與全站儀采集數(shù)據(jù)具有較高的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可靠性。

(3)隧道內(nèi)壁正射影像

三維激光掃描儀不僅可以采集點(diǎn)位的空間坐標(biāo)信息，同時(shí)可以記錄隧道場(chǎng)景內(nèi)的影像信息。本次將獲取的灰度影像投影展開(kāi)至平面，并保持其沿隧道軸線方向上的連續(xù)性，經(jīng)平面旋轉(zhuǎn)、坡度校正后，展開(kāi)為規(guī)則的矩形影像，如圖8所示。影像信息經(jīng)處理后，可發(fā)布至局域網(wǎng)平臺(tái)，方便日常地鐵結(jié)構(gòu)調(diào)查、內(nèi)壁附屬設(shè)施管理、應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮等應(yīng)用。

圖8 區(qū)間灰度影像圖

4 結(jié) 語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)具有快速性、非接觸性和主動(dòng)性，實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)具有高密度、高精度等特點(diǎn)。近年來(lái)，興起的移動(dòng)三維激光測(cè)量技術(shù)更是進(jìn)一步提高了測(cè)量速度。本文引入了合作單位自主研發(fā)的隧道移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)，首先介紹了其系統(tǒng)構(gòu)成、基本原理以及關(guān)鍵流程，在實(shí)際工程應(yīng)用中，獲得了高質(zhì)量的隧道斷面檢測(cè)成果，并對(duì)成果進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。實(shí)踐證明該方法高效、快捷，較傳統(tǒng)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，利用高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的隧道內(nèi)壁正射影像圖可為結(jié)構(gòu)調(diào)查、內(nèi)壁附屬設(shè)施管理、應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮等提供重要數(shù)據(jù)支撐。