基于三維激光掃描技術(shù)的隧道收斂變形整體監(jiān)測方法

1、 瀚 毒 蟄基于三維激光掃描技術(shù)的隧道收斂變形整體監(jiān)測方法*沙從 術(shù) 潘 潔晨 ( 河南工程學(xué) 院土木學(xué) 院 ， 4 5 1 1 9 1 ， 鄭州 ／ ／ 第一作 者 ， 副教授 )摘 要 為研 究隧道的收斂變形 ， 采用 工程試驗研究方 法引入 了三維 激光 掃描 技術(shù) ， 針對 隧道環(huán)境提 出了用一次掃描 多點整體監(jiān) 測取代傳 統(tǒng)的單點監(jiān)測求 收斂值 的方法； 討論 了隧道直徑 、 隧道表面 的粗 糙度 、 掃描分 辨 率、 掃描

2、入 射 角、 隧道表 面的反射率等 因素對掃描結(jié)果 的影響。實踐應(yīng)用表 明， 隧道 收斂 變形整體 監(jiān)測方法可 以快速 、 全 面地獲取隧道表 面的完整 數(shù)據(jù) ， 對周期性 的隧道 掃描結(jié)果的對 比分析 能表 示任意里程 、 任意 點的變形 ， 克服 了傳統(tǒng) 方法的不足 。關(guān)鍵詞 隧道變形 ； 三維激光掃描 ； 整體 監(jiān)測中圖分類 號 U4 5 6 ． 3Ov e r a l lM o n i t o r i n gM e t h o

3、d so fTu n n e lCo n v e r g e n c eBa s e do n3 D L a s e rS c a n n i n gT e c h n o l o g yS h aCo n g s h u，P a nJ i e c h e nAb s t r a c tI no r d e rt os t u d yt h et u n n e lc o n v e r g e n c e ，a no v e r a

4、 l lt u n n e ld e f o r ma t i o nmo n i t o r i n gme t h o di sa d o p t e dwi t he n g i —n e e r i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht o o l s ， amu l t i - p o i n ts c a n n i n gme t h o d i s p r o p o

5、s e d t or e p l a c e t h et r a d i t i o n a l s i n g l e - p o i n t mo n i —t o r i n g ，a tt h es a met i me，t h ei n f l u e n c e so ft u n n e lr a d i u s ，s u r -f a c er o u g h n e s s ，s c a n n i n gr e

6、s o l u t i o n，s c a n n i n ga n g l e so fi n c i —d e n c e a n dt u n n e ls u r f a c e r e f l e c t i v i t yo v e rt h es c a n n i n gr e s u lta r ed i s c u s s e d ．P r a c t i c a la p p l i c a t i o no

7、 ft h i sme t h o ds h o wst h a ti tp r o v i d e saf a sta n df u l la C C e S St og e tt h ec o mp l e t ed e f o r ma t i o nd a t ao ft h et u n n e ls u r f a c e ， t h er e s u l t so fp e r i o d i ct u n n e l i

8、 n gs c a n n i n gc o mp a r i s o na n da n a ly s i sc a nr e p r e s e n td e f o r ma t i o no fa n yp o i n ta ta n ymi l e a g e ，t h u s o v e r c o mi n gt h es h o r t c o mi n g so ft r a d i t i o n a ls c a

9、 n n i n gme t h o d s ．Ke ywo r d st u n n e ld e f o r ma t i o n；3d i me n s i o n a 11 a s e rs c a n —n i n g ；o v e r a l lmo n i t o r i n gF i r s t - a u t h o r ’ Sa d d r e s sDe p a r t m e n to fCi v i lEn g

10、 i n e e r i n g，He n a nI n s t i t u t eo fEn g i n e e r i n g，4 5 1 1 9 1 ， Zh e n g z h o u， Ch i n a地面三維激光掃描技術(shù)通常應(yīng)用于逆 向工程和 三維建模領(lǐng)域， 文獻[ 1 ] 對三維激光影像掃描儀測繪 成果的誤差成因、 誤差影響方式進行了分析 ， 論述 了三維激光影像掃描技術(shù)在變形監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的可行 性 、 技術(shù)優(yōu)勢和存在的問

11、題。文獻[ 2 ] 提出了一種對 城市地鐵隧道變形三維整體監(jiān)測的方法 。文獻[ 3 ] 指 出激光掃描數(shù)據(jù)的誤差存在于徑 向方向， 而不是單純 的存在于豎直方 向。文獻 [ 4 ] 認 為采用三維激光掃描儀進行隧道安全監(jiān)測將逐步替代 目前簡易 的測量 模式， 成為未來隧道工程安全監(jiān)控的主要方法。文獻 [ 5 ] 在鉆爆法施工隧道中開展了三維激光影像掃描技 術(shù)的應(yīng)用研究。文獻[ 6 ] 提出了一種基于三次多項式 插值曲面擬合的隧道整體變形

12、監(jiān)測方法。文獻r 7 ] 提 出一種應(yīng)用于變形監(jiān)測的基 于三維激光點云的隧道 斷面連續(xù)截取方法 ， 該方法能快速準確地提取 出隧道 的形變信息。文獻r - s ] 將激光掃描與光纖位移計的結(jié) 果進行對比， 得出激光掃描變形監(jiān)測精度在 4m m 以內(nèi)。文獻[ 9 ]也研究 了隧道變形監(jiān)測斷面擬合方法 和激光掃描儀監(jiān)測 隧道變形的精度。激光掃描在其 他領(lǐng)域的研究成果甚豐[ 1， 但大 多沒有針對隧道 環(huán)境的特殊性 。本文重點討論激光掃描法變

13、形監(jiān)測 的外業(yè)操作和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中的幾個關(guān)鍵問題。1 基 于三維 激光 掃描 技 術(shù) 的 隧道收 斂 變形 監(jiān)測流程 隧道變形監(jiān)測方案包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和 內(nèi)業(yè)數(shù) 據(jù)處理兩 大部分 。隧道變形 監(jiān)測 工作流程如 圖 1所 示 。1 ． 1 隧道 控制 網(wǎng)布 設(shè) 若采用標靶配 準方法 ， 必須建立監(jiān)測 控制 網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)布設(shè)時要注意以下幾點 ： ① 控制點之間的間 距控制在 1 0 0m 以內(nèi)且通視 良好 ； ② 控制點到掃描 目 標 的距離

14、控制在 5 0m 以內(nèi)； ③ 網(wǎng)形布設(shè)要結(jié)合 隧道特點形成導(dǎo)線 ； 為提高控制網(wǎng)解算精度 ， 需增加 多余觀測 ； 隧道導(dǎo)線 可以布設(shè)為支導(dǎo)線、 環(huán)形導(dǎo)線、四邊形導(dǎo)線 、 菱形導(dǎo)線等邊角鎖形 。* 河南省重點科技攻關(guān)計劃 ( 1 2 2 1 0 2 2 1 0 4 2 1 ) ； 河南省教育廳科技攻關(guān)計劃 ( 2 0 1 0 A 4 2 0 0 0 1 )·51·第 期 00 0。0 _ l l I l。 = _ _

15、 _ 。 川00≮0疊 l≯≥曩謄t量特性和現(xiàn)場控制網(wǎng)布設(shè) 的網(wǎng)形特點 ， 采用掃描儀 自由架站方式 ， 標靶設(shè)在控制點上作為特征點快速 獲取隧道數(shù)據(jù) ， 在數(shù)據(jù)處理過程 中只需要將測量 出的標靶架設(shè)高度及其大地 坐標輸入軟件 中， 輸入之 后再進行點云配準即可。3 影 響數(shù) 據(jù)采集精度 的因素分析 影響數(shù)據(jù)采集精度 的因素有隧道直徑 ( 或地下 空間的尺寸) 、 隧道表面的粗糙度 、 掃描分辨率 、 掃描 入射角 、 隧道表面的反射率

16、等 ， 下面分別加以討論 。3 ． 1 掃描分辨率的合理選擇 較大 區(qū)域的隧道掃描 ， 掃描儀和 目標之間的距 離增加 ， 為保持相同的掃描點密度 ， 掃描儀必須采用 較高的掃描分辨率。但掃描分辨率過高 ， 增加 了數(shù) 據(jù)處理的難度和工作量 ， 需要提高計算機的數(shù)據(jù)處 理能力。再者 ， 掃描分辨率 的大小直接影響掃描時 間。因此 ， 對于隧道變形監(jiān)測 ， 建議選擇中分辨率或 者高分辨率。以徠卡 H DS6 0 0 ( ) 掃描儀 為例

17、， 推薦 分 辨 率設(shè) 置如 表 1所示 。表 1H DS6 0 0 0掃描分 辨率、 掃描 時間及數(shù)據(jù)大小 3 ． 2 掃描 站 間距 和掃描 重 疊度 的確 定 掃描站間距 和測站位置確定 的原則是 ： 保證 掃 描儀和掃描表面之 間的最 大入射角在 4 5 。 之 內(nèi)。為 了能夠掃描整個隧道 ， 掃描站沿軸線的最大問距不 能超過隧道直徑 ( 見圖 2 ) 。為滿足 斷面 I C P法 ( 迭 代最近點算法 ) 配準需要 ， 至少需

18、 3 0 ％ 的掃描重疊 度 ， 因 此 一 站 掃 描 隧 道 長 度 至少 為 隧道 直 徑 的 1 3 0 ％。這等同于把 掃描儀 和掃描表面之問允許 的 入射角增加至約 5 5 。 。如果 隧道壁附著物過多或隧 道 內(nèi)存在大的遮擋掃描的障礙物， 則建議在隧道 中心線兩側(cè)分別設(shè)站進行掃描 ， 以避開其影響。雖然徠卡 H DS6 0 0 0 掃描儀測程為 7 91 T I ， 但其 推薦 的最大掃描距離是 1 71 T I 。因此

19、， 如果沿隧道 中心線設(shè)站進行掃描 ， 則掃描儀掃描隧道 的最大直徑 不得 大 于 2 0m。其 計 算 依 據(jù) 是 ： ， ．=i 7I T I ×C O S5 5 。 9 ． 7 5m， 所以 D= 2 r = 2 0m， 參見 圖 3 。／ 、、、、 測 一／ 、、 測站 ／ ／＼、 、， ，： 口 ：h ／D，／ 、、 、 r ＼ ＼ ／ 、 、／ f————丫 點云掃描重疊 區(qū)圖 2 掃描站間

20、距和掃描重疊度 圖 3 徠卡 H D S6 0 0 0 掃描儀沿 隧道 中心線設(shè) 站能掃描 的最大 隧道半徑計算 掃描隧道或其它更大的區(qū)域需要設(shè)置不同的掃 描站間距 。掃描站問距必須與三維環(huán)境相適應(yīng) ， 確 保掃描到所有 的壁幫 、 頂板和地板。如果隧道或地 下空間明顯高于 1 7m， 為保證足夠高 的掃描密度 ，有必要改變掃描設(shè) 站位置 ， 在隧道 的較高位置架設(shè) 儀器 ， 或以足夠高的掃描分辨率增加掃描點密度。3 ． 3 不 同掃描

21、距離和入射角度對掃描結(jié)果的精 度 影 響 在地面以不同距 離、 不 同角度對大理石和混凝 土進行掃描試驗¨ 1， 試驗結(jié)果如表 2 ?？梢钥闯觯?在 掃描角度上 ， 以 4 5 。 掃描 的精度 比正面掃描 的精度 高 ， 而且對物體表面掃描的擬合精度隨著距離增大 呈降低趨勢 ， 參見圖 4 。掃描過程 中， 適 當(dāng)縮短掃描距離可 以提高掃描 精度? 1] ； 可通過使掃描儀與 目標形成一個合理的入 射角度 來提 高測量 精度

22、 ， 這個 角 度一般 4 ( ) 。 ～5 ( ) 。最佳 。3 ． 4 掃描面粗糙度的影響從表 2 可以得出， 無論正面掃描還是 4 5 。 的入射 角度掃描 ， 對混凝土表面的掃描精度比對大理石表面 的掃描精度高l 1。因為混凝土表面 比大理石表面粗 燥， 表明激光掃描對具有漫反射表面的物體的掃描效 果較好 。隧道表面一般為混凝土表面或各類巖石表 面， 有利于獲取較好的隧道表面掃描結(jié)果¨ ^。4 應(yīng)用案例 某圓形隧道直徑