基于三維激光掃描的隧道變形監測方法研究

唐 琨，戴 鑫，黃祖登

（1.天津市測繪院，天津 300381）

基于三維激光掃描的隧道變形監測方法研究

唐 琨1，戴 鑫1，黃祖登1

（1.天津市測繪院，天津 300381）

對隧道變形監測方法進行了研究，提出一種通過中軸線上節點坐標偏移的方法提取變形量，用區段擬合方法提取中軸線節點；給出了利用三維激光掃描進行隧道變形監測的實施步驟。實驗分析表明，該方法切實可行，滿足變形監測的精度要求。

三維激光掃描；隧道變形監測；區段擬合

三維激光掃描技術是一種非接觸式主動測量技術，不同于傳統的單點測量。該技術通過掃描可以快速獲取高密度、高精度、大范圍的海量點云數據，得到目標表面的三維坐標，其掃描速度可達數萬點每秒。

傳統的隧道變形監測，一般采用掛鋼尺抄平和鋼尺式收斂計等接觸方式進行，雖然操作簡單，但工作量大且無法進行三維觀測。非接觸三維測量以測量機器人監測為主，雖然可提供三維坐標，但仍局限于單點測量，無法快速獲取整體變形信息[1]。本文研究基于三維激光掃描數據的隧道變形監測方法，用斷面中心偏移方法提取變形信息。

1 提取方法

在隧道變形監測中，變形信息的提取是關鍵。本文思路如下：①對隧道整體或局部進行三維激光掃描，確定合適的基準面，并以合適的厚度、間距對掃描數據進行橫斷面切片處理，提取斷面點云中心；②通過對多期隧道掃描數據中相同位置處的斷面中心進行坐標比較，提取變形信息。

為準確提取橫斷面中心，本文提出了區段擬合法，其思路為：將斷面切片點云按一定的規則分為若干區段，分別擬合獲取各區段點云中心，再由各區段點云中心擬合得到該斷面中心。具體步驟如下：

1）計算假中心點，建立坐標系。將斷面點云投影于YOZ平面，對點云進行重心擬合，計算得到斷面假中心點O'，以O'為原點建立極坐標系。

2）截取區段點云。以合適截取角度?，按順時針方向截取（0，?），（?，2?），…，（n?-?，n?）各區段內點云，其中n=360°/?。

3）獲取區段點云中心。設置閾值q，若某區段內點云數量Pm（m∈N，1≤m≤n）大于q，則重心擬合獲取該區段中心Om；若Pm小于閾值q，說明該處點云存在空洞，則由相鄰區段Om-1、Om+1中心擬合得到該區段中心，Om=（Om-1+Om+1）/2。

4）獲取斷面點云中心。對n個區段中心進行重心擬合，得到該橫斷面點云的中心O，O=（O1+ O2+…+On）/n。

由于掃描獲取的原始點云坐標基于激光掃描儀的測量坐標系，而截取區段過程中采用的是極坐標，因此，需要先進行坐標轉換。具體計算過程如下：

1）在測量坐標系中，假中心點O'三維坐標為（x0，y0，z0），點云中任一點P三維坐標為 （x，y，z），則在YOZ平面的投影坐標為（y，z）。

2）測量坐標系轉換為直角坐標系。在以O'為原點的直角坐標系O'-yz中，O'坐標為（y，z），平移向量為a=（-y0，-z0），因此，點P在O'-yz中坐標為（y-y0，y-z0）。

3）直角坐標系轉換為極坐標系。在以O'為原點的極坐標系O'（ρ，θ）中，由y=ρcosθ，z=ρsinθ，其中解得點P在極坐標系O' （ρ， θ）中的坐標為

本文首先引入電機輸入電能與機器人機械能兩個能耗指標，將這兩個指標作為目標函數進行不同拾放軌跡的參數優化仿真，并在樣機上進行了實驗驗證；然后通過不同的最優參數軌跡的數據求出能耗值，得出具有Bang-bang速度分配方式的分段多項式曲線為最優拾放軌跡；最后通過不同拾放點與不同軌跡周期試驗，展現出最優軌跡具有空間與時間上的可重復性，對不同工業現場的高速拾放操作具有現實的指導意義。本文為機器人軌跡的能耗比較提供了可參考的方法。

2 實施步驟

1）布設測站。針對隧道結構特點并結合實地環境，在保證各測站間有點云重疊[2,3]，且掃描能涵蓋目標物的前提下，盡量少布設測站。

2）布設標靶。在隧道合適位置布設標靶作為數據后處理過程中點云配準的參考信息，并確定斷面截取基準面。

3）采集數據。選擇合適的三維激光掃描儀對隧道進行掃描，采集三維數據。為提高精度，可在多期掃描過程中選取相同的測站，并將掃描儀放置于相同的控制點。

4）數據處理。對原始點云進行裁剪、去噪，并將各站點云配準鏈接后，以適宜厚度、間距對數據進行斷面切片處理，并采用區段擬合方法提取斷面中心。

3 實驗分析

使用Riegle+Z420i三維激光掃描儀對某電纜隧道進行變形監測實驗，于2012-12-06、2013-04-19進行兩次掃描。如圖1所示，該段實驗隧道為長約50 m，直徑約3 m的矩形隧道，分別在隧道的15 m、35 m處布設控制點并架設掃描儀。同時在隧道中段25 m處布設固定點并架設4個粘有圓形標靶的棱鏡[4]，作為點云配準以及斷面基準，如圖2所示。設置隧道掃描分辨率3 mm×3 mm，并以1 mm×1 mm分辨率對標靶進行精掃。第一次掃描獲得104 343 726個點，第二次掃描獲得103 726 871個點。

圖1 隧道掃描實驗

圖2 布設掃描標靶

3.1 數據處理

使用RiSCAN-PRO軟件對原始點云進行裁剪、去噪處理[5]，剔除電燈、人員等噪聲數據，并采用四元數算法[6,7]對各測站點云進行配準，得到的隧道點云如圖3所示。采用Realworks軟件的“Cutting Plane Tool”工具對隧道點云進行斷面切片處理，以固定標靶位置為基準面，以10 cm厚度、50 cm間距截取切片點云，得到有效橫斷面91個。某層切片點云如圖4所示。

圖3 處理后隧道點云

圖4 處理后隧道點云

采用區段擬合方法對91個斷面切片點云進行處理，提取斷面中心，設置截取角度為3°，每個斷面得到120個點云區段，每個區段包含約90個點，分別進行重心擬合得到區段中心，再由所有區段中心擬合得到斷面中心。

3.2 變形信息提取與分析

對前后兩期掃描中得到的隧道斷面中心坐標分別在X、Y、Z 3個方向上進行差值比較，可知在Z方向體現為沉降變形，在X、Y方向表現為水平變形。結果如圖5～7所示。

圖5 橫斷面Z方向坐標差值

圖6 橫斷面X方向坐標差值

P258

B

1672-4623（2016）04-0097-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.030

2014-07-02。