劉妍¹,孫海麗²

(1.自（zì）然資源部（bù）第一航測遙感院，陝西西（xī）安710054；2.首都師範大學,北京100048)

摘要:無控製方式的移動激（jī）光隧道檢測係（xì）統能（néng）獲得高質量的三維點（diǎn）雲（yún）數據，能對隧道及周邊（biān）實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內都可以（yǐ）正常使用，相比集成慣導的移（yí）動軌道掃描係（xì）統，大（dà）大降（jiàng）低（dī）了（le）成本，提升了（le）外業檢測效率。采用移動隧道檢測（cè）係統對天津（jīn）地鐵某區間進行安全檢測，通（tōng）過獲取隧道全息全斷麵數據，進行（háng）隧道點雲（yún）數據（jù）采集、斷麵（miàn）變形解算(全斷麵變形分析和收斂直徑計算)、病害提（tí）取，生成（chéng）隧道內壁（bì）和軌道影（yǐng）像、漫遊視頻，用（yòng）於對隧道斷麵、限界、病害等信息進行全方位的分析，生（shēng）成多種格式成（chéng）果，為移動激光掃描技術在（zài）地（dì）鐵隧道中的應（yīng）用提供（gòng）借鑒（jiàn）。

關鍵詞:隧道安全檢測；移動激（jī）光隧道檢測係統；數據分析（xī）；點雲數據；正射影像

　　1.引言

　　隧道幾何結構安全狀況直接影響隧道的使用性能，對（duì）隧道結（jié）構的狀態（tài）進行（háng）監（jiān）測（cè）、檢測與維護整治尤（yóu）為重要。由於（yú）城市軌道交通運營維護期間天窗時間短，隧道檢測效率、檢測數據處理精度及有效性都將影響軌道交通的正常運營，隻有提（tí）高和長久保持隧（suì）道結構的強度和（hé）穩定性，對隧道及時進行變形檢查和維護，才能滿足列車快速、平穩、舒適、安全的（de）運輸要求。

　　目前，隧道變形（xíng）監（jiān）測主要采用全站（zhàn）儀或三維激光掃（sǎo）描測量。基於全站儀的自動變形監測方法，精度可靠，在（zài）實際工程中的應用仍然比較廣泛。全站儀自動變形監測測量通過全站（zhàn）儀測量隧道環片標誌點，或采用無棱鏡（jìng）反射方式（shì）測量，可實現全自動化測量，監測精度雖然較高，但（dàn）效率較低（dī），成本較高，而且測量點位密度較稀疏，隻能選擇部分斷麵進行檢測，不便於進（jìn）行全斷麵變形檢測。

　　三維激（jī）光掃描測量因其獲取數據速度快、點（diǎn）密度大精度高、使用簡單方便等優（yōu）點，將成為隧道檢（jiǎn）測的主要技（jì）術手段。

　　Leica、Amberg、武漢漢寧軌道交通技術有（yǒu）限公司推出了（le）移動軌道掃（sǎo）描（miáo）係統，集成了（le）CNSS、IMU、激光掃描儀（yí）、裏程計等傳感器，能對軌道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露（lù）天（tiān）或隧道內都（dōu）可以正常使用，並為竣工分析提（tí）供測繪級精度的三（sān）維點（diǎn）雲，但要（yào）求外業掃描過程中要聯測（cè）控（kòng）製點（diǎn）。首都師範大學研製的無控製方式的移動激光隧道檢測係統，無需集（jí）成GNSS和慣性導航係統，僅借助激光（guāng）掃描（miáo）儀在移（yí）動軌道小車平台上勻速運行，便可獲（huò）得高質量的三維點雲數據。本文利用無控製移動激光隧道檢測係統在地鐵隧道進行測試，介紹其作業流程、數（shù）據處理方法及其應用。

　　2.無（wú）控製移動激光隧道檢（jiǎn）測係統

　　無控製方式的移動（dòng）激光隧道檢測係統，借助激光掃描儀在移動軌道小車平台上勻速運行，獲得高質量的三（sān）維點雲數據，檢測速度支持高達4.5 km/h的作業速度；支持輔助裏程計、軌距測量儀等傳感器，提高了相對定（dìng）位精度；能對隧道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內都可以正常使用；能進行斷麵、限界檢測及正射影像生成，相比集成（chéng）慣導的（de）移動軌道掃描係（xì）統，大（dà）大降低了成本；采用無控製點聯測方式，提（tí）升了（le）外業檢測效率。

　　移動激光隧道檢測係統支持多（duō）種掃描儀，采用無控製點聯（lián）測（cè）方式檢測隧道（dào）相對變形，不需考慮軌道和隧道（dào）的整體沉降、軌道平順性等變形特性，僅關（guān）注隧道空間結構的相對變化，可進行隧道的定期監測、保護區施工監（jiān）測（cè）、成（chéng）型（xíng）隧道驗收施工等，適用於隧道收斂檢測線路管理維護（hù）竣工分析、限界測量、淨空測（cè）量、病害檢測等多個（gè）領（lǐng）域。

無控製移（yí）動隧道激光檢測係統配套的隧道激光點雲采集與處理軟件是隧道激（jī）光掃描監控量測係統，主要有移動點（diǎn）雲采集、隧道（dào）數據處理與成果分發功能。利用移動式三維激光掃描測量技術可快速獲（huò）取隧道表麵大量的（de）點的三維坐標和圖像灰度值等信息，對這些（xiē）點雲數據（jù）進行預處理與變形解算後，可以獲得被掃描（miáo）隧道（dào）的收斂直徑、錯台變（biàn）形、內（nèi）壁影像、漫遊視頻等量測成果，生成測量報表、斷麵CAD、病害報表等（děng），為地鐵盾（dùn）構隧道（dào）施工及運營維護檢測提供完整解決方案。圖1為移動隧道檢測作業流程。

圖1、移動隧道（dào）檢測作業流（liú）程

數據處理主要包括點雲影像預覽、點雲預處（chù）理、斷麵收斂變形分（fèn）析、錯台分析、淨空檢測、病害標注、隧道高清影像生成（chéng）與實（shí）景漫遊構建報（bào）表生成等工作內容。

3.隧道安全狀態分析

　　本文以（yǐ）天津地（dì）鐵安全檢測項目為例，采用移動隧道檢測係統對某（mǒu）一區間進行（háng）工程化測試，通過獲取隧道全息全斷麵數據，進行隧（suì）道點雲數據采（cǎi）集、斷麵變形解（jiě）算（suàn）(全斷（duàn）麵變形分析和收斂直徑計算（suàn）)、錯台分析、病害提取、隧道內壁和軌道影像生成漫遊生成應用，對隧道斷麵、限界、病害等信息進行全方位的分析。

　　運營地鐵隧道安全檢（jiǎn）測的內（nèi）容主要包（bāo）括隧道斷麵檢測、限界（jiè）檢測及滲漏水等病（bìng）害檢測。在地鐵隧道位置、結構的幾何參數（shù）檢測中，收斂和限界檢測尤為重要。盾構隧道收斂變（biàn）形檢測主要結合隧道結構特征，進行穩健估計橢圓擬合，獲得橢圓長半軸、短（duǎn）半軸、水平直徑、橢圓度等信息。限界檢測可結合實測點雲掃描得到的軌麵點雲進行軌道麵提取，解算軌麵高程基準，建立軌麵坐標係，並結合鐵路設計相關規範提供的（de）地鐵列車或設備限界數據進行隧道斷（duàn）麵限界檢測以及接觸網導（dǎo）高和拉出值拱頂淨（jìng）高的計算。

　　激光掃描數據具有“全覆蓋、密度高”的特點，為便於後續（xù）深入分析，掃描後提供的全斷麵數據可導（dǎo）出成逐環全斷麵dxf文件，例如，收斂直徑、環內錯台（tái）、淨空檢測（cè）以及環間錯（cuò）台dxf成果文件，並標注環片拚接塊的實際位置，方便查看和數據管理。

　　隧道激光掃描監控量測係統的解算（suàn）成果分為全斷麵CAD圖及統計報表(Excel表格)，其中，統計報表主要包含整個數據的收斂直徑（jìng）、錯台弧長、平均錯台量等分析數據，可進行進一步分析應用。

　　對隧道內滲漏水發生的位（wèi）置、分布及其麵積等進行定量量測，主要采用該係統（tǒng）的隧道內壁影像功（gōng）能。隧道現狀影像的主要特點為高頻（pín）次、高分辨率，相對於（yú）普通數碼像機照（zhào）片，具有全覆蓋、精確量算和（hé）無需（xū）光照等優勢，有（yǒu）利於及時發（fā）現隧道內的各（gè）項安（ān）全隱患，克服了人工巡檢的（de）漏檢、非標準化、指標隨意等缺（quē）點。本試驗對應的內壁影像圖局部放大如圖2所（suǒ）示（shì），從圖中能夠看到，結合激光掃描生成的高清隧道影像質量較（jiào）高（gāo）。

圖2、高（gāo）清影像局部（bù）放大圖

　　為解決隧道掃描點雲數據和解算成果的可（kě）視化（huà）難題，避免人工建模（mó）所需的大量人力，可利用掃描點雲的XY坐標、裏程、反射率信息以及檢測成果直接生成三（sān）維漫遊場景，並（bìng）以第（dì）一人稱生成漫遊視頻（pín），將隧道現狀、環號-裏程、直徑變形、錯台、附屬（shǔ）設（shè）施等關鍵信息融合到視顏中，相（xiàng）關人員可更全麵地查看監控量測成果。

　　地鐵隧道中最常（cháng）見的病害（hài）是滲漏水，常規的滲漏水檢測以人工拍攝巡檢方式為主（zhǔ），數（shù）據成果量化、保存與共享比較困難。基於移動激光掃描方式獲取隧道壁（bì）高精度（dù）、高密度的（de）三維點雲坐標信息及激光反射信號的強度（dù）信（xìn）息，結合（hé）強度（dù）信息可對掃描目標的（de）結構.材質、含水量等信息進（jìn）行提取和反（fǎn）演，實現（xiàn）目標探測（cè）與識別。如圖3所示，結合移（yí）動激光掃（sǎo）描獲（huò）取的隧道點雲數據（jù）生（shēng）成的正射膨像強度圖（tú）能給出（chū）滲漏水的兒（ér）何信息，如（rú）滲漏（lòu）水的麵積，彌補傳統方法獲取單一。幾何數據的缺陷，便於病害成果的幾何量測與數據管理。

圖（tú）3、隧道滲漏麵積計算

4.結束（shù）語

　　結合移動激光隧道檢測係統進行隧道安全狀態檢測，檢測速度可支持最高4.5km/h的作業速度，能提高作業（yè）效率，提供全斷（duàn）麵、收斂直徑、環內錯台、環間錯台等變形檢測成果表（biǎo）和CAD圖（tú），並進行表（biǎo）觀膨像的初步（bù）識別和判讀，製作（zuò）隧道實景漫遊視額。

　　移動激光隧道檢測係統可采用無控製方式（shì），對隧道進行移（yí）動式激光檢測，適用於隧道結（jié）構相對變化檢測，但對於一些絕對測（cè）量場（chǎng）最(如沉降監測、軌道平順性檢測)，則需要增加慣性導（dǎo）航（háng）係統（tǒng），並聯測控製點。

　　實踐結果表（biǎo）明，無控製方（fāng）式的移動激光隧道檢測係統可開展（zhǎn）隧（suì）道結構病害的快速檢測，在采集範圍（wéi）、影像分排（pái）率及采集效率（lǜ）方麵具有一定的優勢（shì）。通過激光掃措（cuò）可獲取隧道內壁高（gāo）分辨率（lǜ）影像和漫遊視頻，便於相關專業人員直觀清楚地了解隧道內壁的附屬設施和病害現狀（zhuàng），還可為後期的隧道綜合調度指揮和結構病害分（fèn）級跟蹤管理（lǐ）提供工作底圖（tú），也可為後續線路的BIM信息化管理提供（gòng）基（jī）礎數據。建議在隧道竣工驗收測量、監護項目結構調查、長期（qī）收斂測量以及應急搶險等特（tè）殊工況條件下的（de）快速普查（chá）等項目中，開展無控製方式的移動激光隧（suì）道檢測係統（tǒng）試驗（yàn）應用。

來源：《測繪技術裝備（bèi）》