基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)

陸華庭

(廣西路橋工程集團有限公司, 廣西 南寧 530200)

0 引言

現(xiàn)如今，在高速公路、地鐵、水下通車路段等施工項目中，不可避免地涉及隧道工程施工。由于隧道多處于地下水位以下的位置，施工中的滲漏水問題頻發(fā)[1]。隧道施工滲漏水問題不僅會影響隧道施工質(zhì)量，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)開裂、腐蝕，也會危害施工人員的生命安全，甚至對地下水環(huán)境的穩(wěn)定也造成一定程度的破壞[2]。為此，設(shè)計一種有效的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

葉少敏等[3]以自加熱溫敏光纜為主要材料，設(shè)計了一種隧道滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將自加熱溫敏光纜應(yīng)用于傳感元件中，通過分布式測溫的方式采集光纜溫度信息，然后再結(jié)合熱脈沖法感測隧道施工過程中的滲漏水情況，并實現(xiàn)可視化展示。代昱昊等[4]利用TEM設(shè)計了一種隧道滲漏水狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在進行多次瞬變電磁超前探水試驗后，建立了電阻率區(qū)間與滲漏狀態(tài)映射模型，然后在Voxler軟件中構(gòu)建了含水體模型，通過感應(yīng)瞬變電磁完成對隧道施工滲漏水狀態(tài)的監(jiān)測。

然而，在實際的施工應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，上述傳統(tǒng)方法存在監(jiān)測信息傳輸耗時長且監(jiān)測準(zhǔn)確率低的不足。而三維激光掃描技術(shù)是一種自動化程度高和采集信息精度高的立體掃描技術(shù)，其主要目標(biāo)是對高精度工程體進行三維建模，并有效地收集大量的三維點，實現(xiàn)采集各種類型的大量、復(fù)雜、不規(guī)則的三維數(shù)據(jù)的目的[5]。為此，針對傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，本文研究基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)，并與兩套傳統(tǒng)系統(tǒng)進行對比分析。

1 基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式高速激光測量技術(shù)，即通過測量三維坐標(biāo)獲取被測目標(biāo)表面的三維點云數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行有效的轉(zhuǎn)換，同時進行技術(shù)性的分析，獲取高精度的數(shù)據(jù)信息，再通過三維建模軟件的應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建三維掃描模型，以實現(xiàn)其應(yīng)用。三維激光掃描是利用激光掃描設(shè)備和遙感器來測量被測物體表面的形狀，通常由激光發(fā)射器、接收器和計數(shù)器組成[6]。被測目標(biāo)表面接收到激光脈沖后，會產(chǎn)生反射信號，通過發(fā)射器與接收器之間的信號傳輸，可使用計數(shù)器計算發(fā)射信號和接收信號間的時間差，獲取測量結(jié)果，同時可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)結(jié)果監(jiān)測實際施工過程中的不足并加以改善。

本文以三維激光掃描技術(shù)為依托，設(shè)計隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)，通過獲取隧道施工現(xiàn)場信息生成的點云數(shù)據(jù)進行計算，構(gòu)建三維掃描模型，實現(xiàn)隧道施工滲漏水監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)硬件環(huán)境設(shè)計

基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)的硬件環(huán)境主要由3個部分構(gòu)成，分別為參數(shù)調(diào)試部分、激光掃描部分和監(jiān)控中心部分。各部分負責(zé)不同的任務(wù)，其中，參數(shù)調(diào)試部分負責(zé)根據(jù)實際施工情況調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，激光掃描部分負責(zé)獲取隧道施工滲漏水的圖像信息，監(jiān)控中心部分負責(zé)整體的系統(tǒng)遠程控制。系統(tǒng)硬件環(huán)境如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件環(huán)境結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，系統(tǒng)硬件環(huán)境的主要設(shè)備是三維激光掃描設(shè)備，本研究使用的設(shè)備型號為Leica ScanStation2。

激光二極管在信號激光的周期性脈沖下，能夠使其發(fā)射激光脈沖至目標(biāo)表面，接收透鏡以此為基礎(chǔ)，獲取反射信號并進行接收。在微機內(nèi)部對測量數(shù)據(jù)進行簡單處理，在儲存數(shù)據(jù)的同時，顯示或發(fā)送距離、角度等數(shù)據(jù)，從而完成信息傳輸處理。經(jīng)過一系列的處理操作后，利用合適的系統(tǒng)軟件得到目標(biāo)區(qū)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以便進行不同的計算或建立三維模型。具體的三維激光掃描過程如圖2所示。

圖2 三維激光掃描過程示意圖

步驟一：利用三維激光掃描儀器獲取隧道施工現(xiàn)場的位置信息、地表物體尺寸等信息，并形成初始點云數(shù)據(jù)。

步驟二：在CAD軟件中，結(jié)合上述獲得的初始點云數(shù)據(jù)，利用Cloudworx插件繪制隧道施工現(xiàn)場的平面圖、立面圖以及剖面圖等圖件，并根據(jù)實際信息讀取隧道尺寸及其內(nèi)部設(shè)施的具體位置與狀態(tài)，形成線劃圖件。

步驟三：利用線劃圖件對各點云數(shù)據(jù)進行處理，生成Mesh格網(wǎng)模型。在該格網(wǎng)模型中，通過映射處理將所有采集到的施工信息生成隧道滲漏水模型。

2 滲漏水識別監(jiān)測方法

2.1 滲漏水階段劃分

根據(jù)滲漏水的危害程度，將其劃分為5個階段，依次為浸潤(第一階段)、滲透(第二階段)、滴水(第三階段)、漏水(第四階段)以及射水(第五階段)。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 隧道施工滲漏水情況評定規(guī)則表

2.2 滲漏水識別與智能監(jiān)測

隧道施工滲漏水監(jiān)測的關(guān)鍵在于從利用三維激光掃描技術(shù)得到的隧道施工現(xiàn)場線劃圖件中識別滲漏水現(xiàn)象的信息，也就是利用數(shù)字圖像識別原理，根據(jù)滲漏水位置與正常情況下圖件狀態(tài)間的差異，實現(xiàn)對滲漏水現(xiàn)象的識別。

圖件二值分割處理技術(shù)是根據(jù)一定的閾值，將待識別的目標(biāo)從整個圖件中分離出來的處理技術(shù)[7]。一般來說，可以根據(jù)目標(biāo)區(qū)域與圖件背景區(qū)域間的灰度差異完成二值分割。為此，本研究做出如下假設(shè)：

(1)隧道施工現(xiàn)場線劃圖件的灰度分布主要包括背景信息和待識別的目標(biāo)信息。

(2)背景信息或待識別的目標(biāo)信息中，相鄰像素間的灰度值差距較小，而背景信息與待識別的目標(biāo)信息的邊緣灰度值差距較大。

假設(shè)(X，Y)表示隧道施工現(xiàn)場線劃圖件的平面坐標(biāo)，其灰度值處于[0，L]之間，像素點在其間的灰度級為G(X，Y)。設(shè)定隧道施工現(xiàn)場線劃圖件的分割閾值為δ，Lq=(q1，q2)表示像素點在此坐標(biāo)內(nèi)的二值灰度級，則隧道施工現(xiàn)場線劃圖件(X，Y)在δ條件下的分割結(jié)果如式(1)所示：

(1)

結(jié)合隧道施工現(xiàn)場的實際情況，當(dāng)其表面存在滲漏水情況時，利用三維掃描技術(shù)得到的線劃圖件中可以被二值分割處理過程分為灰度目標(biāo)區(qū)域(滲漏水區(qū)域)與背景區(qū)域(正常區(qū)域)[8]。在圖件經(jīng)過二值分割處理后，本研究利用Sobel邊緣算子準(zhǔn)確判斷滲漏水區(qū)域的輪廓范圍。在隧道施工現(xiàn)場線劃圖件中，假設(shè)存在任一像素點pi，pi與其周邊的像素點pj間的灰度差為ΔG，若存在如式(2)所示的關(guān)系，那么像素點pi即為待提取的信息。

(2)

式中：Gi與Gj——周邊像素點pi與pj的灰度值；

計算滲漏水區(qū)域像素點灰度值，若與正常隧道表面的像素點之間灰度值相似，差值較小，就可以在灰度圖像中對滲漏水區(qū)域邊緣進行有效識別，描述識別出的所有像素點，識別該區(qū)域滲漏水現(xiàn)象。

利用三維激光掃描技術(shù)得到的現(xiàn)場圖件有多幅，為全方位監(jiān)測的隧道施工滲漏水情況，本研究在識別每個圖件中滲漏水區(qū)域后，對三維掃描模型中所有圖件的滲漏水區(qū)域面積展開計算，過程如下：

(3)

式中：S′——隧道內(nèi)實際的滲漏水面積；

S——三維掃描模型中隧道內(nèi)表面總面積；

np——三維掃描模型的所有圖件中的像素點數(shù)量；

n——圖件中滲漏水區(qū)域中的像素點數(shù)量。

在識別滲漏水區(qū)域后，本研究對具體的滲漏量展開監(jiān)測。當(dāng)水流動在隧道巖土的空隙或裂隙里并逐漸滲出表面，即產(chǎn)生了滲漏。為了分析滲漏速度，需使用滲漏控制模型。通常情況下，不具有壓縮行為的控制方程主要由連續(xù)性方程式(4)與納維斯托克斯方程式(5)構(gòu)成，其形式如下：

?v=0

(4)

(5)

式中：?——偏導(dǎo)數(shù)；

?——求導(dǎo)；

v——滲漏位置水體的實際流速；

ρ——滲漏水體的密度；

p——滲漏壓力；

g——重力；

?2v——滲漏水體流動過程中受到的阻力。

由于該數(shù)值在滲漏過程中的作用并不明顯，因此，在式(5)的右側(cè)還需添加一個可以描述此阻力作用的項，此時，單位質(zhì)量滲漏水體的滲漏阻力為：

F=a×V×g

(6)

(7)

式中：V——滲漏水狀態(tài)參數(shù)；

a——重力加速度。

通過計算可以得知隧道施工滲漏水狀態(tài)參數(shù)，以此判斷隧道的施工滲漏水情況。

3 試驗與結(jié)果分析

為驗證上述設(shè)計的基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，選擇某正在施工的隧道作為試驗對象。該隧道全長將近15 km，經(jīng)過巖溶洼地、地下暗河和多處地質(zhì)斷層帶與地質(zhì)接觸帶，還包含大量的溶洞，在開挖的過程中可能會出現(xiàn)透水、突泥，甚至巖爆、塌方等危險情況。因此選擇該隧道#026+351-15段進行滲漏水監(jiān)測，此施工段長約2 600 m。將基于自加熱溫敏光纜的隧道滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)與基于TEM的隧道滲漏水狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為對比方法，與本文提出的基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)共同進行對比實驗。本文采用三維激光掃描設(shè)備Leica ScanStation2完成隧道滲漏水信息的實際采集，該設(shè)備主要參數(shù)如表2所示。

本次實驗以滲漏水監(jiān)測信息傳輸耗時、監(jiān)測準(zhǔn)確率為指標(biāo)，監(jiān)測信息傳輸耗時越短，監(jiān)測準(zhǔn)確率越高，證明該方法的應(yīng)用性能越好。

3.1 監(jiān)測信息傳輸耗時對比

采用上述三種方法對該隧道#026+351-15段進行滲漏水監(jiān)測，對比不同方法的監(jiān)測信息傳輸耗時，結(jié)果如表3所示。

表2 Leica ScanStation2主要設(shè)備參數(shù)表

表3 不同系統(tǒng)對滲漏水監(jiān)測信息的傳輸耗時對比表

由表3可知，隨著實驗次數(shù)的增加，不同系統(tǒng)對滲漏水監(jiān)測信息的傳輸耗時也隨之增加。其中，基于自加熱溫敏光纜的監(jiān)測系統(tǒng)的耗時處于0.768～0.937 min，基于TEM的監(jiān)測系統(tǒng)的耗時處于0.904～1.414 min，而本文系統(tǒng)的耗時處于0.355～0.492 min，這說明本文系統(tǒng)對滲漏水監(jiān)測信息的傳輸速度更快、監(jiān)測效率更高。

3.2 監(jiān)測準(zhǔn)確率對比

在該隧道#026+351-15段中，在計算滲漏水狀態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上，以監(jiān)測準(zhǔn)確率為指標(biāo)，對不同系統(tǒng)的應(yīng)用性能展開驗證，試驗施工段的滲漏水狀態(tài)如表4所示。

表4 各施工段滲漏水狀態(tài)一覽表

以表4為實際結(jié)果對比，計算不同系統(tǒng)對隧道施工滲漏水監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確率，結(jié)果如表5所示。

表5 不同系統(tǒng)對隧道施工滲漏水的監(jiān)測準(zhǔn)確率對比表

由表5可知，隨著試驗次數(shù)的增加，不同系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確率也呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。其中，基于自加熱溫敏光纜的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確率處于89.50%～91.55%，基于TEM的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確率處于85.43%～88.92%，而本文系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確率處于94.37%～96.71%。上述結(jié)果可以說明,本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對隧道施工過程中的滲漏水情況展開監(jiān)測，且相比于兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果更加可靠。

綜上所述，本研究設(shè)計的基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測效率高、監(jiān)測結(jié)果可靠性高的應(yīng)用優(yōu)勢，更適用于實際的隧道工程施工項目中。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)存在的監(jiān)測信息傳輸耗時長、監(jiān)測準(zhǔn)確率低的問題，本研究設(shè)計了基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用參數(shù)調(diào)試部分、激光掃描部分和監(jiān)控中心部分組成系統(tǒng)硬件環(huán)境，在軟件程序中，對三維掃描圖件進行二值分割處理，在判斷滲漏水區(qū)域的輪廓范圍后，對三維掃描模型中所有圖件的滲漏水區(qū)域進行判斷，通過求解滲漏量得到準(zhǔn)確、高效的監(jiān)測效果。