三維激光掃描技術及在（zài）隧道監測中的應（yīng）用
更新時間：2021-04-10 17:51
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【摘 要】隧道監控量測目的是通過對隧道淨空收斂和沉降觀測，進行數據分析，優化（huà）隧道施工方案和設計，確定合理的（de）安全步距和支護時間，保障隧道施工（gōng）和工後運營安全，雖（suī）然國內外對（duì）隧道監控量（liàng）測工作十分重（chóng）視（shì），但目前監測水平與信息化施（shī）工要求還相差甚遠（yuǎn）。本文（wén）基於三維激光掃描技術，提出隧道三維激（jī）光掃描測量和數據可視化處理技術，經工程應用和實踐，結果表明該技術（shù）可以實時、準確、全方位獲取隧道空間變形數據，進（jìn）行隧道施工變形（xíng）分析和反（fǎn）分析，對隧（suì）道施工進行風險預警預報，指導隧道信息（xī）化施工（gōng），具有重要的工程應用價值。
【關（guān）鍵詞】激光掃描儀，監控量（liàng）測，預警預報，信（xìn）息化
1 引言（yán）
隧道監控量測（cè）必測項目常采用水準儀（yí）、鋼掛尺、收斂計和全站儀等進行測（cè）量，但水準儀、鋼掛尺、收（shōu）斂計等由於測量精度不高，受隧道施工影響（xiǎng）較大，易造成施工阻（zǔ）礙，數據存儲、傳輸、處理、分析等工作量大，工程應用不（bú）便。全站儀數字化技術具有精度高、施測方便（biàn），數據存儲、傳輸方便，可以直接（jiē）與計算（suàn）機連接，在友（yǒu）好的計算機操作係統中，實現監測數據自動傳輸，利用計算機自動分析、處理和查（chá）詢等。隧道及地下工程修（xiū）建技術不斷（duàn）提高的（de）同時，信息化施工已成為地下（xià）工程發展的必然趨勢，而工程的（de）實時監測也（yě）將發揮更為（wéi）重要的作用，同時監控量測的要（yào）求也越來越高，這必然促使實時監（jiān）測技術飛速發展。三維激光掃（sǎo）描技術可以（yǐ）實（shí）時、準確、全方位（wèi）獲取隧道（dào）空間變形數（shù）據，進行隧道施工變形分析（xī）和反分析（xī），對隧（suì）道施工進行（háng）風險預（yù）警預報（bào），指導隧道信息化施工。
2 三維激光（guāng）掃描（miáo）技術
隧道三維激光掃描可（kě）視化（huà）監測技術運用數字圖像處理技術和計算（suàn）機視覺技術，將（jiāng）人們使用各種儀器測量的（de）數據處理，轉換成人們能夠直觀（guān）、形象地理解的圖像（xiàng）信息（xī），幫助人們尋找數據中潛在的各種有用信息，使人們能夠對獲（huò）得的數據（jù）進行深刻、全麵的理解（jiě）。
隧道三維激（jī）光（guāng）掃描可視化監測技術采用三維激光雷達掃描儀進行隧道全斷麵非接觸掃描測量，監（jiān）測點布設成黑白（bái）相間反光十字標靶或標（biāo）誌球（qiú），測（cè）量時儀器主動獲取和存儲隧道實（shí）體的（de）點雲數據，包括實（shí）體在同一空間坐標係或參考係下描述目（mù）標實體的空間分布和目標表麵光譜特（tè）性的海量點雲數據集合。通過點雲拚接和濾波分（fèn）析等，得到隧道空間的三維（wéi）實體模型，進行數字信息化處理和（hé）隧道預警預報，指導隧道信息（xī）化（huà）施工和設計。
3 點雲數據的獲取
隧道工程為一狹長結構，施工安全步距一般（bān）為幾米至（zhì）幾十米，三維激光掃描儀的掃描密度是隨（suí）著掃描距離的（de）增加而下降的，所以在隧道有限的管狀空（kōng）間內，為了保證有充足的（de）點雲數據用於提取隧道的形變信息，通（tōng）常每個測站（zhàn）所獲取的點雲數據中有效範圍隻有幾十米，這是隧道特殊結構下不（bú）可避免的（de）特殊（shū）問題。采用三維激光掃描技術進行隧道監控量測時需通過分站式掃描才能采集全部數據。為了使監測數據連續可靠，掃（sǎo）描數據必須（xū）有一定的重合度，即保證點雲數據拚接過程中每兩個測站間的公共部分，監測時需根據隧道斷麵尺寸大（dà）小，每隔一定距（jù）離設置一個測站，用於拚接的（de）控製（zhì）點（diǎn）隻能布設在（zài）兩站（zhàn）間的銜接（jiē）部分，在每兩個測站間的隧（suì）道內壁上均勻布設 5-6 個反光靶，以（yǐ）及（jí）在地麵上布設 3-4 個反（fǎn）光靶拚接時將第一站（zhàn）作為基（jī）準站，其後每一站（zhàn）分別與相鄰（lín）的前一（yī）站作拚接，前後測站間首尾相連。但所測點雲（yún）數據分別在以各站站點為原點的獨立坐標係（xì）中，因此（cǐ）在進行隧道形變分析時，需要對（duì）各測（cè）站點雲數據進行拚接。
4 點雲數據的拚接
隧道監測區段的數（shù）據采集過程中需對隧道進行分站式掃描，且（qiě）在其（qí）後的數據處（chù）理過程中，必（bì）然涉及到點雲數據的拚接問題，點雲數據的拚接精度是保證後期一係列（liè）數（shù）據計算精度的重要前提，所（suǒ）以要盡量的減小拚接誤差（chà）。
點雲數據拚接（jiē）是通過（guò）計算每兩個測站點雲數據所在坐標係之間的轉（zhuǎn）換參數，將所有點的三維坐標統一到同一個坐標係下。對（duì）於掃描數據來說，不存（cún）在扭曲和縮放，需要的是平移和旋（xuán）轉，即剛體變換。
點雲數據拚接方（fāng）法主要有：（1）利用（yòng）專用的測量儀器實現測量數據（jù）的直接拚接，此種方（fāng）法簡單快速，無須（xū）事後數據拚接，其（qí）拚接精度依賴於硬件的（de）測量（liàng）精度，但係統通常複雜、昂貴，而且不（bú）能滿足任意視角測量；（2）基於（yú）測量（liàng）表麵貼附標（biāo）記點的方法，這種方法通（tōng）過（guò）貼附（fù）足夠數（shù）量的標記點用以計算兩組點雲數據間的拚接變換參數，但所得拚接精度受標記點數量影響較大，並且在確定標記點（diǎn）位置時易受複雜外形的限製；（3）根（gēn）據測量後的點雲數據拚接算法處理，把（bǎ）不同坐標係的點雲數據統一拚接到同一坐標係統（tǒng）下，這種方法拚接精度主要（yào）依賴（lài）於拚（pīn）接算法的優劣，類別上可大概分為基於點（diǎn）信息的拚接算法、基於幾何特征信息的拚接算（suàn）法（fǎ）、動態拚接算法和基（jī）於影像的拚接（jiē）算法（fǎ）。
5 工程（chéng）應用（yòng）與實踐（jiàn）
寶峰隧道是昆玉鐵路重點風險監控（kòng）隧（suì）道，進口段屬淺埋（mái）偏壓隧道，圍岩等級為Ⅴ級，主要以強風化泥灰岩為主，地質構造發（fā）育（yù），隧道監（jiān）控量測采用隧道三（sān）維激光掃描（miáo）監測技術對隧道進行了跟蹤監測。
為及時掌握隧道施工過程中變形和收斂情況，對隧道監測數據進（jìn）行分析處理，采用（yòng）專用的分析軟件SCENE 4.8進行點雲數據處理和分析，建立（lì）隧道三（sān）維空間實體模型和對比分析模型，如圖1所示（shì），分（fèn）析隧道淨空收斂和收斂值如圖2所示，在Geomagic Studio 10軟件也可瀏（liú）覽和查詢任意點的（de）坐標值和其它點雲信息，準確地掌握（wò）隧道淨空變化規（guī）律，為隧道的安全施工提供有力的保障。
6 結論（lùn）與建議
隧道三維激光掃描監測方法是利用三維激（jī）光（guāng）掃（sǎo）描係統（tǒng）實時、全方位、高精（jīng）度、高密度獲取海量實體點雲（yún）數據，並進行點雲拚接、濾波（bō）處理等得到隧道實體的三維模（mó）型和分析結果，生成了不同裏程的斷麵圖和變化分析圖，可用來分析隧道的淨空收斂和拱頂沉（chén）降等變化規律，並進行預警預報，具有數據真實可靠、實時處理和全信息數字化等優點，便於工程信息化施工和管理。
工程應用表明，隧道（dào）三維激光掃描監測方（fāng）法可以快速、實時地獲（huò）取隧道施工的動態數據，掌握隧道的動態變化規律（lǜ），指導隧道信息化安全施工，是目前最理想的監控量測方（fāng）法，並取得了較好的應用效（xiào）果。
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