三維激光掃描技術在傳統(tǒng)地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用

文 / 姚文軍，安徽省城建設計研究總院股份有限公司

隨著城市的發(fā)展，地鐵隧道這一方便城市交通的工程得到了越來越多的注意，同時作為一種地下工程，地鐵隧道的安全性也是使用過程中必須注意的，因此必須有相應的監(jiān)測方法對地鐵隧道展開變形監(jiān)測。地鐵隧道變形監(jiān)測對保障地鐵設施的安全至關重要，而傳統(tǒng)的監(jiān)測方法在應用中起到的作用非常有限，只能夠?qū)﹂g隔了一定距離的一部分斷面的數(shù)據(jù)進行分析。而三維激光掃描技術就是近年來得到廣泛使用的監(jiān)測技術的一種。這種監(jiān)測技術的通途廣泛，已經(jīng)大范圍的應用于城市的地面模型建立和三維數(shù)據(jù)模型建立，應用于地鐵隧道中時，可以有效的對地鐵隧道的變形程度進行監(jiān)測。

1 地鐵隧道變形概念和三維激光掃描技術

地鐵隧道變形是指在地鐵的運營過程中，地鐵的隧道受到外力影響如周邊的工程施工或者地鐵隧道內(nèi)部的工程施工以及地鐵列車的運行造成的振動進而造成的隧道變形。而三維激光掃描技術則是在1995年左右出現(xiàn)的一種技術，這種技術是GPS后又一項新型的測繪技術，這種測繪技術通過高速的激光對掃描對象的數(shù)據(jù)進行快速的收集、統(tǒng)計、分析，因為激光的效率高，計算的速度快，因此可以快速的采集大量的空間點位信息，可以快速的建立物體的三維影像模型。因為其快速、不接觸、實時動態(tài)監(jiān)測和高精度的特點，在各個工程中均有著一定的應用。而三維激光掃描技術通常由掃描儀、支架、電源、計算機以及一些配件組成。而三維激光掃描儀就是其中最為重要的一部分，是一切的前提和基礎，三維激光掃描儀由激光發(fā)射器和激光接收器、計時器、可以旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、和微電腦等組成，因為高效的測量技術，因此其重要性往往可與GPS這門空間定位技術相提并論，不同于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術具有數(shù)據(jù)收集快數(shù)據(jù)精度高和數(shù)據(jù)處理快的優(yōu)點，通過對地鐵隧道管壁的三維點云數(shù)據(jù)掃描，最終得到一個具有高度分辨率的地鐵隧道模型。

2 三維激光掃描技術在傳統(tǒng)地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用

2.1 對數(shù)據(jù)的收集

通過對導線和水準測量方案的設計，然后使用激光掃描儀對需要測量的地鐵隧道進行掃描，主要掃描站間距和掃描點密度并且保證掃描的重疊度合格。同時，對地鐵隧道的內(nèi)導線和水準開展測量，以方便對三維坐標進行傳遞，傳遞的方法選用標靶，并同時進行隧道的三維激光掃描以獲得隧道管壁的三維點云數(shù)據(jù)和標靶點云數(shù)據(jù)。掌握以上數(shù)據(jù)將有利于對地鐵隧道變形監(jiān)測的觀察。

2.2 對數(shù)據(jù)的預處理

對數(shù)據(jù)的預處理一般有四個步驟，首先是對標靶的三維坐標進行計算，計算的根據(jù)是標靶的三維坐標。然后對點云數(shù)據(jù)的三維坐標歸算，采用的是先前計算得出的標靶三維坐標，將這個數(shù)據(jù)歸算到統(tǒng)一的三維坐標系統(tǒng)，從而通過三維坐標系統(tǒng)計算。之后對有干擾因素的噪音數(shù)據(jù)進行剔除，根據(jù)隧道設計的最初的圖紙和數(shù)據(jù)，主要需要掌握的事地鐵隧道的直徑及其軸線空間位置，因此其他的如管壁外的數(shù)據(jù)可以直接剔除，而常見的有干擾影響的噪音數(shù)據(jù)主要是地鐵隧道內(nèi)的照明系統(tǒng)，以及一些電纜，螺栓等。最后是對管壁點云數(shù)據(jù)的提取，由于掃描時的角度和距離等原因，所以激光掃描也會有著管壁點云密度并不均勻，站附近的點密度大的缺點。因此為了數(shù)據(jù)的處理速度提高和精度，必須去掉密度大的一些區(qū)域。

2.3 三維模型的建立和成果的輸出管理

在得到點云數(shù)據(jù)后，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)建立一個地鐵隧道的三維模型。然后根據(jù)三維模型就可以進行成果的輸出。對地鐵隧道內(nèi)的管片進行三維模型斷面的截取，然后對斷面數(shù)據(jù)做多項式的曲線擬合，得到的數(shù)據(jù)與設計圓片斷面比較，并得到管片最終的變化量曲線，這樣就可以比較測量的值與設計的值的有無差距，并最終判斷有無發(fā)生地鐵隧道的變形。而成果管理則是對收集的斷片數(shù)據(jù)和測量的結果進行管理，一般會采用一套專門的地鐵隧道測量成果管理系統(tǒng)進行管理以方便提高效率，而地鐵隧道測量成果管理系統(tǒng)會對這些斷片數(shù)據(jù)和測量的結果進行瀏覽和分析，分析每個管片斷面的變化和變形的量的差值。

3 結語

三維激光掃描技術在地鐵隧道內(nèi)部的應用中可以保障掃描距離和點云密度，同時保障數(shù)據(jù)處理的速度和精度。同時還可以不用重復，一次性的全方位采集隧道內(nèi)部的表面數(shù)據(jù)，并對其進行相應的計算和處理，最終得到斷面的變形量。三維激光掃描技術可以有效的提升數(shù)據(jù)的采集速度和提高數(shù)據(jù)的處理效率，因此可以有效的在地鐵隧道的停運時間段利用不長的時間對隧道進行安全檢測，采用三維激光掃描技術，對兩個站點的數(shù)據(jù)收集和分析，最終得出結果往往只需要一個星期左右的時間，因此相較于傳統(tǒng)測量方法，三維激光掃描技術在應用中可以有效的提升對地鐵隧道的監(jiān)測準度和效率，保障地鐵隧道的安全性。