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基于移动三维激光扫描的盾构隧道断面提取与应用

摘要:运营期地铁隧道断面监测是隧道结构监测的重要内容,对维护地铁安全运行极为重要。本文针对运营期的地铁隧道结构特点,采用新型移动式三维激光测量技术,全面采集隧道结构的点云信息。根据隧道断面的变形机理,首先利用高密度点云数据获取隧道高清正射影像图,然后通过自动识别的技提取隧道顶部的环片拼接缝,以此为基础结合传感器数据提取逐环点云数据,再利用得到的逐环点云数据提取各环片中部断面数据,最后根据提取的断面点云,对环片的水平收敛、椭圆度、环间错台量进行综合分析。在苏州地铁进行隧道监测试验,结果表明该方法不仅实现了隧道段面逐环提取,通过调整断面位置实现了环片错台信息,而且监测成果经过人工符合完全满足隧道监测的要求。
  随着我国轨道交通行业的迅猛发展,地铁隧道的数量和地铁运营长度急剧增加,地铁已成为城市中最主要的通勤工具,并随之产生大量的地铁隧道安全监测与维护工作。运营期的地铁隧道断面监测是保证地铁安全运行的一项重要监测内容。常规结构断面检测方法为全站仪测量,根据作业内容的不同大约为每小时测 60 ~ 300 m,且每隔 5 ~ 10 环监测一个断面,每个断面监测环上布设 15 ~ 20 个监测点。传统断面监测具有工作量大、周期长、监测手段复杂、受外界条件影响多的缺点,监测结果仅是监测点的变化情况,很难得到研究对象的整体变化情况。
  三维激光扫描技术是一项迅速发展的高新技术,被称为继 GPS 以来测绘领域的又一技术革命,通过向目标的物体发射激光脉冲并接收反射回来的脉冲信号,获得被测量物体的表面信息,实现目标物的测量工作。它能够以非接触的方式快速、精确、全面地获取研究对象表面的高密度三维点云数据,为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。
  传统站式三维激光扫描仪虽然也能获取大量隧道结构点云数据,但站式扫描仪存在需要搬站,后期处理需要拼接,高比例重叠产生大量冗余数据的不足不能更好地适应地铁隧道的测量需求。近年,移动三维扫描技术的测量速度和测量精度都有了大幅的提高,该技术恰巧能解决目前隧道断面监测中碰到的测量天窗时间短及测量范围不足的问题。
  本文采用移动式三维激光扫描仪测量代替传统的方法,以轨道小车为载体,采用人工推行方式对盾构环片进行全覆盖扫描测量。扫描数据处理采用自动化处理方式,利用后处理软件对任意里程或特定位置的断面进行批量提取输出,根据提取的断面信息对隧道结构的收敛变化、错台信息、椭圆度进行提取,从而实现隧道结构断面的变形监测。该方法不仅弥补了传统断面监测信息不全的不足,而且也提高了监测效率,缩短了监测周期,对地铁隧道运营监测技术发展具有重要的理论与现实意义。
1 移动三维激光点云数据采集系统
  地铁盾构隧道为呈狭长形带状构造,具有地下区间、作业空间封闭、地铁运营时间长、作业天窗点宝贵的特点。本文引入的移动式三维激光扫描测量系统以轨道小车为载体集成德国 Z+F9012 激光扫描仪、GNSS+IUM 定位定姿系统和 DMI( 里程计) 等多种传感器,通过同步控制系统实现隧道三维信息的快速获取,如图 1 所示。
1.1 系统集成
  该系统采用德国 Z+F9012 扫描仪在垂直于运动方向进行 360°扫描,结合移动小车载体在运动方向作为运动维,实现三维扫描。其所获得的数据是一系列离散、无序点的点云,每一个目标点包含一个距离值和一个角值。
  组合定位定姿系统( GNSS+IUM) 主要用于移动测量设备位置和姿态的确定,是移动测量系统中高分辨率测量的关键设备。GNSS 接收机的主要作用为: 提供定位数据信息,实现扫描仪的精确定位,建立高精度的空间基准。
  惯性测量单元( IMU) 一般由 3 组加速度计、陀螺仪、数字化线圈和 CPU 组成,主要用于确定测量仪器 X、Y、Z 3 个方向的瞬时加速度、瞬时角速度、调节和温度补偿,实现测量设备的精确定位。
  距离测量装置( DMI) 通过光电转换电路,将旋转轴的角位移或角速度等物理量转换成对应的电子脉冲输出,通过标定即可得到编码器一个脉冲代表的移动载体的位移,可准确获取载体的里程、速度等信息。 
  移动三维激光扫描系统通过定制的轨道小车和电源将各传感器进行集成,并为各传感器进行统一供电。通过置入的微电脑同步控制系统,对各传感器同步控制建立统一系统,实现实时快速获取点云信息。集成后的移动测量系统如图 2 所示。
1.2 同步控制系统
  移动测量系统是通过人工推行方式进行测量作业,为了能将同一时刻各种传感器测量出来的数据关联起来,需要一种统一的时间坐标。微电脑同步控制系统是移动测量系统的指挥系统,保证推行过程中个传感器具有统一的时间基准,同时在推行扫描工程中不断协调各传感器在各自的采集频率下采集相关数据。所有的传感器采集的数据都统一在时间基准上,从而实现 GNSS、INS、CCD 摄像机、激光扫描仪之间数据的高效性。多传感器同步控制系统作业方式如图 3 所示。
2 盾构环片逐环断面提取
2.1 高密度点云数据获取
  在移动三维激光扫描   监测技术中,隧道断面数据获取通过推行过程中激光器不断向垂直前进方向的隧道壁发射激光,通过记录激光传输的时间获取每个激光点相对扫描仪中心的空间坐标,由于激光发射器的旋转速度远高于小车推行的速度,激光发射器扫描一周的点可以看作同一竖直面内隧道结构完整的断面点云。移动三维激光采集系统作业示意图如图 4 所示。
  以小车前进的方向为 y 轴,天顶方向为 Z 轴,水平方向为 X 轴建立三维坐标系,记录激光发射到回收的时间 t,根据激光传播的速度 c,可以得到每个断面坐标系下环片上的每个激光点到坐标中心的距离,如图 5 所示。由于本文采用激光扫描仪扫描频率为 200 转/s,1 s 可采集 200 万点,随着时间增加可以快速获取大量的隧道点云数据。
  利用移动三维扫描测量系统对苏州市多条轨道交通线路进行扫描作业,获取了大量的隧道点云数据信息。本文以苏州轨道交通 4 号线江陵西路至江兴西路采集的点云数据为例,进行逐环断面提取与分析。该区间的左线共计 974 个环片,扫描仪获取的海量点云数据经过配准去燥等预处理后获得三维点云效果如图 6 所示。
2.2 逐环断面提取
  三维激光扫描仪每秒钟获取几百万个点云数据信息,扫描一个隧道区间可以获取数十亿的点云数据,如何利用这些海量的点云数据准确地提取断面信息,是一项复杂的工作。本文首先利用配准去躁后的点云数据沿顶部中心线展开投影,获取隧道正射灰度影像图; 然后利用图像识别技术在灰度影像上识别环片拼接缝,进而确定点云数据的环片拼接缝;最后根据环片拼接缝的对应里程信息,计算环片中心断面位置,提取该位置断面数据。
  灰度图制作的实质是将足够密度的点云数据进行栅格化,以特定步长的栅格对点云划分,并为每个栅格设置其行列值,将该栅格内点的强度平均值作为该栅格的灰度值,因此栅格即对应图像中的特定像素,进而实现点云到图像的转化,栅格化矩阵 T如下
  由于剔除了干扰物噪声,栅格化的过程中将形成许多空洞,可采用图像插值方法获取这些像素处的缺失值,修复隧道内表面图像。
  灰度影像图以隧道顶部中心线为基准进行投影展开( 如图 8 所示) ,因此灰度影像的中线与隧道的中线保持一致,数据处理软件通过图像识别软件自动识别出中间位置的环片接缝线,经过人工简单交互检查就能确定环片对应的里程信息,环片自动识别结果如图 9 所示。
  利用确定的环片信息( 换号、里程) 即可轻松实现海量点云数据特定位置的环片断面点云提取。为了更好地对环片收敛、椭圆度信息进行分析,本文根据环片两边的里程计算出环片中部断面位置,并在点云中提取对应的断面。为了分析两个环片错台信息,同时为了保证错台信息的可靠性,本文通过在环片接缝两边各 5 cm 处分别取两个环片上的断面点云数据,进行断面匹配,找出相邻两个环片的错台超限位置和超限量图,图 9 为苏州 4 号线江陵西路至江兴西路左线的 9 环和 76 环的收敛断面,以及 373环/374 环的错台断面点云。
  采用本文方法可轻松实现地铁隧道环片断面提取,由于点云密度足够丰富,且具有很好的连续性,相对传统全站仪断面测量具有很大优势,不仅弥补了传统断面测量数据不完整,而且大大提高了断面测量速度。本文江陵西路至江兴西路左线 974 环片共计提取 974 个收敛断面和 1948 个错台断面数据。
3 断面成果应用与分析
  利用移动三维激光扫描系统平台获取的断面数据对隧道断面结构进行分析,通过断面成果逐环对环片的椭圆度、收敛、错台量进行分析,实现对隧道结构的健康监测。
3.1 断面椭圆度分析
  隧道环片初始设计为圆形结构,随着时间变化,环片周围荷载发生变化环片会发生向两侧扩张、顶部会发生沉降变形。本文利用获取的隧道收敛断面点云数据采用随机抽样一致性( RANSAC) 算法和最小二乘结合的方法拟合断面的椭圆信息。椭圆的一般方程为
  然而,由于隧道本身受力是均匀的,点云仍存在一定的微差,盾构的断面和提取的断面点云严格意义不是一个标准的椭圆。因此把点云的坐标代入椭圆方程式会存在偏差。偏差 v 的公式为
  根据式( 3) 采用最小二乘原理代入断面点云坐标,即可求得椭圆的一般参数 A、B、C、D、E,将椭圆的一般参数代入式( 2) 得到与断面点云最佳拟合的椭圆。根据椭圆的一般参数 A、B、C、D、E,进一步求出 5 个参数 a、b、x0、y0、α,其中 a 和 b 分别为椭圆的长短半轴,( x0,y0 ) 为圆心坐标,α 为长轴与水平方向夹角。然后利用椭圆度式( 4) ,即可计算该断面椭圆度 e 的值
  利用该方法获取第 22 环拟合椭圆如图 10 所示,椭圆短轴为 5.488 m,椭圆长轴为 5.532 m,黑色直线为过椭圆圆心的水平线,椭圆度 e 为 0.008。
  本文对江陵西路至江兴西路 974 环片进行逐环拟合,将拟合结果以环片为单位,分别对拟合椭圆的对应的环号、里程、椭圆长轴、椭圆短轴,椭圆度进行计算,并以报表的形式进行输出,部分输出结果见表 1。
  本文利用三维激光点云高密度优势,大大增加了椭圆拟合的准确性,改变了传统椭圆拟合过程数据拟合点不足的缺点,提高了拟合结果的可靠性。利用三维点云进行逐环椭圆拟合改变传统抽样拟合存在的监测成果不能全覆盖的缺陷。该方法在未来隧道健康监测中具有强大的优势。
3.2 断面水平收敛分析
  环片收敛监测分析是隧道健康监测过程中一项重要的监测指标。隧道盾构环片受外力变化,圆形的隧道盾构环片往往在水平方向( 0°和 180°) 及顶部垂直( 90°) 方向变化较为明显。然而垂直方向受道床影响监测较为困难,因此水平方向成为环片收敛监测的主要目标。常规监测由于监测设备效率较低,采用分段取样、每个取样环片采集 10 ~ 20 监测点的方式进行监测。该方法不仅采集效率低,而且采样监测选取不当,往往导致漏检现象,存在很大的安全隐患。
  本文采用移动三维激光逐环提取的环片结逐环拟合的椭圆信息,根据椭圆的圆心坐标及断面点云扫描时系统记录的惯导数据,取过椭圆圆心的水平位置环片两侧真是点云距离作为环片的水平收敛监测值,如图 11 所示。用过与环片设计值或多次收敛测值进行对比分析,从而发现环片变形的位置及变化趋势。
  本文对环片的水平收敛监测进行监测,并将监测的值与环片设计值逐环进行较差计算,将监测成果与环号及里程形成对应关系,以报表的形式进行输出,根据不同监测临界值对监测结果以不同颜色进行区分,江陵西路与江兴西路部分收敛监测成果见表 2。
3.3 环片错台分析
  环片错台是由于环片拼装技术及地铁运营过程中荷载变化,导致相邻两个环片发生相对位移产生错位,当错台较大时会对隧道结构的稳定性造成破坏; 相邻的两个环片通过螺栓进行连接,若错台量不断增加不仅会破坏螺栓,而且会引起环片开裂; 环片接缝的变化也会导致密封止水带破坏,出现渗漏水。错台监测关系到列车运行的安全,是日常监测的重要部分。目前常规监测手段是通过人工巡检,通过人眼对错台进行判断,对错台较大地区再进行测量。该方法不仅速度慢,且人工巡检存在各种不确定因素,无法作出客观判断。
  本文根据移动三维激光扫描的特性,通过逐环提取断面的方式不仅可以快速获取每个环片的断面信息,而且通过在接缝两边各 5 cm 处分别取; 两个环片的断面,采用点云叠加对比分析方式对环片接缝的错台信息进行全面监测。图 12 分别为错台截取断面提取的示意图及江陵西路至江兴西路的错台断面提取结果。
  移动三维激光扫描系统虽然可以对隧道的环片逐环提取分析输出,但为了提高移动测量系统错台分析算法的效率,加快数据的速度,错台断面分析采用后台运行方式进行。设定错台分析阈值,错台量超过设定的阈值范围,则将对应两个环片断面进行输出,并在叠加分析的断面点云中对错台的位置和弧长进行标注,同时分析结果也以报表的方式统一输出,错台报表见表 3。
  将本文的断面分析方法应用于苏州地铁多条线路,以江陵西路至江兴西路上下行区间监测成果、监测效率、监测成本等方面与传统监测方式进行对比见表 4,可以看出移动三维激光断面变形监测技术具有监测速度快、监测成果面、成本低及精度可靠等优势。

4 结 语
  本文主要对移动三维激光扫描系统进行介绍,分析了该系统的特点,利用其 360°全方位扫描和点云数据密集,利用点云断面提取算法,对数据进行分析,实现了逐环断面提取,并根据提取的环片断面点云成果对隧道环片的椭圆度、水平收敛、环间错台进行了分析。通过实例与传统监测方法在多方面进行比较,发现移动三维激光扫描对地铁隧道的结构监测具有强大的优势。

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