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地铁隧道测量中三维扫描技术的应用

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摘要:随着科技的发展三维激光扫描技术依其采样率高、实时性强、精度高等特点,已经广泛的应用于各相关领域。本文主要介绍利用三维激光扫描技术对地铁隧道变形测量所作的技术探讨并结合上海地铁实际案例阐述测量方法。

关键词:三维激光扫描;变形测量;三维数据处理

1地铁隧道变形测量

地铁隧道变形测量是地铁施工和日常监护的重要内容,关系到隧道整体的稳定性和安全性。上海属于软土质地区,软土质地区的地铁隧道在运营过程中会受到地面、周边建筑物负载及土体扰动的影响而产生变形,这种变形一般是横经变大、竖经变小,最终形成椭圆形的隧道。变形测量系统可分为接触式和非接触式两种,目前地铁隧道的变形测量多采用非接触式测量,主要是利用全站仪对特定的断面进行扫描。这也决定了全站仪法变形测量不能全面的反映隧道的变形情况,而三维激光扫面技术利用其高采样率、高精度的特点,为地铁的施工及运营提供更为直观、精确的数据。传统的方法是采用布设导线传递坐标,利用全站仪在选定的管片上均匀测出若干个固定点,再利用这些点进行变形分析。由于其效率低、成本高,很难满足大规模的数据采集。

2三维激光扫描仪测量原理

三维激光扫描仪采用脉冲测距法可以测出仪器到P点的距离S,同时可以测出横向角度α和纵向角度θ,通过角度和距离即可计算出P点的坐标。P点的三维坐标计算公式:

3三维激光扫描技术的应用

3.1点云数据采集

为了更精准的体现隧道变形情况,要将断面坐标统一到绝对坐标中。一般是利用隧道中现有的控制点或者重新布设控制点,控制点平面坐标通过全站仪依导线的形式测量,高程采用精密水准测量。由于扫描角度、距离等问题,距离测站越近点云密度越大,距离测站越远点云密度越小。同时,测量距离越远测距误差也会越大。为了保障点云质量,测量距离一般设为15~35米。测站尽量布设在通视条件较好的隧道中心位置,每个测站内要均匀布设3个以上黑白标靶,距离测站25~30米,且避免布设在同一直线上,然后逐站进行扫描,获取点云数据。

3.2点云数据处理

点云数据处理包括数据预处理和三维建模,数据预处理包括点云数据配准、数据滤波和抽稀等步骤。预处理后的点云数据质量直接关系到三维建模的质量,所以,数据预处理非常重要。

3.2.1点云数据配准在实际作业过程中往往需要多站才能完成作业对象的扫描工作,每一站都会形成一个独立的坐标系统,点云数据配准就是为了将多个测站各自独立的坐标系统合并成一个单一的坐标系统,点云数据配准分为基于标靶拼接、基于点云拼接和基于控制点拼接。基于标靶拼接是最常用的拼接方法。本文采用的数据配准是基于标靶拼接的方法,由于各测站获取的点云数据是独立的相对坐标,所以,若要将数据进行拼接需要将坐标进行旋转和平移。设点P(x,y,z)为测站坐标系内的点,点P′(x0,y0,z0)为参考站坐标系内的点,R为旋转矩阵。则P点应满足的方程为:

3.2.2数据滤波在进行三维激光扫描的过程中由于各方面原因,不可避免的会出现噪声点。还有些点云数据不属于噪声点,但是也不属于目标点,例如:盾构管片上的连接螺栓孔、注浆孔、隧道内的照明设施等。这些点云都会影响到特征点提取的精度,所以在三维建模之前要滤除这些点云数据。本文采用基于椭圆柱面拟合的方法,即根据隧道形状特点将其横截面视为椭圆,通过对分割后的各区域点云进行椭圆柱面拟合以及平差模型解算,实现隧道点云的滤波。

3.2.3中轴线的提取由于隧道走向不是一条直线,所以在提取断面时要先提取出隧道的中轴线,这样可以根据中轴线按照里程提取相应的断面。中轴线的提取可以将隧道点云数据进行旋转,将点云数据分别平行于X0Y面和Y0Z面,求出点云数据在X、Z方向上的最大值和最小值,计算出平均值。最后对X、Z方向上的平均值进行拟合,得到两个面上的中轴线方程。

3.2.4隧道断面拟合隧道管片由于受到土体扰动、上方图层压力等原因,一般情况下会发生横轴变大、纵轴变小,由设计时的圆形变为椭圆形。隧道的横断面是平行于Y0Z平面,所以隧道的拟合方程可以表示为:(y0、z0)为拟合椭圆中心坐标,a,b为椭圆的长、短半轴。

3.2.5断面提取在对隧道断面进行椭圆拟合后,可以将拟合后的长、短半轴与设计值进行比较,从而得到水平方向和竖直方向的变形量,根据提取的中轴线可以进一步提取以隧道里程为分割点的切片圆环。对于长期的变形监测,可以将不同时期相同位置的断面进行叠加,然后采用极坐标法进行比较。除此之外,可以用点云配准的方法进行形变分析。

4实例验证

本文选用上海某地铁隧道进行实验,仪器采用徕卡ScanStationP20三维激光扫描仪进行测量。徕卡ScanStationP20主要指标:该段隧道采用盾构法施工,由于采集数据时处于在建阶段,数据包括利用全站仪和精密水准仪采集的三维控制点数据和三维激光扫描仪采集的点云数据。由于在数据采集过程中障碍物的遮挡等原因,点云数据会出现空洞的情况。因此需要对点云数据进行曲线拟合,本文采用基于椭圆柱面拟合的方法进行曲线拟合,这样也可以排除非隧道上的点云对断面的影响。若想连续提取隧道断面,则需要有一条参考线,而我们在对隧道变形进行分析时均是根据某一里程位置相对应的隧道断面来分析的。所以,在提取隧道断面前要拟合出隧道的中轴线,然后才能提取隧道断面。根据表1可以看出隧道断面的顶部和两侧的变形是最大的。横经变形最大的位置在255°~275°,变形量最大为+14.9mm;竖径变形最大的位置在165°~190°,变形量最大为-17.8mm。这是由于隧道上方的土体压力远大于两侧的土体压力,使得隧道竖径变小横经变大。

结束语

本文详细阐述了三维激光扫描在隧道变形测量中的方法与原理,并通过实例证明了方法的可行性。随着技术的发展,三维激光扫面技术将越来越广泛的应用于地铁隧道的各项监测工作中,本文提出的方法可为隧道变形监测提供借鉴。

参考文献

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作者:田辉辉 单位:上海市地质勘查技术研究院

地铁隧道测量中三维扫描技术的应用责任编辑:张雨    阅读:人次