三維激光掃描在地鐵隧道變形監測中的應用分析

趙彥軍 楊 鋒 稅廣通

甘肅中建市政工程勘察設計研究院有限公司 甘肅 蘭州 730000

在信息時代,三維激光掃描能夠為地鐵隧道變形監測工作提供完善的點云數據,測量精度和數據采集效率極高,耗費成本也遠遠低于全站儀,能夠克服傳統監測數據的缺陷與不足,滿足地鐵隧道變形監測工作的要求。本文將簡單介紹三維激光掃描儀的組成結構與工作流程,并以西安地鐵四號線為例論述三維激光掃描在地鐵隧道變形監測中的應用方案。

一、三維激光掃描儀的組成結構與工作流程

三維激光掃描儀的核心處理軟件主要包括Point cloud、Polywoeks和Leica Cyclone,這三種軟件均適用于點云數據配準、建模和處理工作。在地鐵隧道變形監測中,三維激光掃描儀能夠做好點云配準工作,提取斷面,對斷面進行對比分析,并不斷優化斷面收斂與變形分析工作。從總體上分析,三維激光掃描儀可分為兩大系統,即斷面提取系統和隧道變形分析系統。其中,斷面提取系統由導入設計數據(包括里程和設計斷面半徑)、導入原始點云、點云預處理、導入全站儀測量數據組成,該系統能夠處理好點云數據配準工作、斷面處理工作,并生成不同斷面測量點文件;隧道變形分析系統能夠導入不同斷面測量點的數據,實現斷面圓環擬合,對比分析設計半徑和二期相同處斷面。

其次,當代三維激光掃描系統主要依托于Matlab平臺,對地鐵隧道變形監測中三維激光掃描收集的數據予以點云數據處理,主要工作流程如下:

第一,實施點云數據初期處理。在此工作中,三維激光掃描系統首先要依次剔除激光的反射光束、各種工作噪音和隧道管線,然后對隧道壁中的數據進行點云處理。

第二,做好點云數據配準工作。進入此階段以后,工作人員要做好各站掃描坐標系與測量坐標系之間的轉換工作,然后對后面的數據進行分析與處理。

第三,做好斷面處理工作。在此過程中,工作人員要設置好間隔,精心提取斷面點云數據,然后運用最小二乘法擬合隧道的中心軸線。

第四,分析隧道變形。在此階段,工作人員要精心擬合各斷面的測量點數據(注意使用圓環擬合法),然后,對比設計半徑,接著對比分析相同位置的多期收斂性變形。

第五,確保數據輸出質量。工作人員要綜合使用圖形方式和文本方式正確輸出斷面處理結果。

另外,工作人員要注意優化地鐵隧道變形監測方案,處理好內業數據處理和外業數據采集工作,這兩項工作流程合在一起,可以將順序概括為:全面測量,為各站點設置兩個棱鏡坐標和一個靶球,用三維激光掃描隧道,實施各測站點云數據處理,運用三維激光掃描數據處理系統進行斷面分析與處理,輸出報表,做好斷面擬合,分析設計半徑和隧道收斂變形。

二、三維激光掃描在地鐵隧道變形監測中的應用方案

(一)采集隧道之中的點云數據

西安地鐵四號線從2018年2月開始采用三維激光掃描開展地鐵隧道變形監測工作,并全面采集了兩期點云數據。在工作中,采集數據所使用的核心儀器是FARO Laser Scanner Focus3DX120,該儀器的掃描距離遠達120米,測量誤差也遠遠低于全站儀,大約在＋2mm,波長為905納米,掃描的市場范圍運算以垂直×水平的計算方式為主,通常是305×306。

此外,在地鐵隧道變形監測工作中,FARO掃描儀原本無法獨自完成定位定向工作,各站的掃描數據信息也是相互獨立的。因此,要將所有數據信息配準到統一的標準坐標系之下,并在現場設置好靶球,為公共部分布置兩站的數據,以此實現數據配準。而且,西安地鐵四號線的數據采集工作是用兩個棱鏡來進行定位基座,并運用一個球形棱鏡予以組合。

(二)運用三維激光掃描處理點云數據

從總體視角來講,三維激光掃描所獲取的數據信息量非常多,并不利于監測分析工作。因此,要科學使用三維激光掃描處理點云數據,控制好誤差與離散效應的不利影響。需要注意的是,通常在離散之后, 接收器就會收到無數雜亂的光束,而這些光束會經過反射來加劇負面影響,滋生冗余數據。對此,要借助三維激光掃描清除冗余數據,確保監測結果的精度。

(三)用三維激光掃描實施點云配準用三維激光掃描處理點云數據是一項任務量極為龐大的工作,因此,在執行該項工作的同時要做好點云配準工作。首先,要明確點云數據的定位定向,將所有的數據信息歸納到統一標準坐標系之下,并運用三維激光掃描儀來完善坐標系統。其次,要盡快準確完成點云數據與測量坐標系之間的轉換工作,簡化內業拼接流程,提升全站儀和三維激光掃描儀的互補作用。另外,要精確識別靶心,提取斷面,做好變形分析。西安地鐵四號線就是運用三維激光掃描儀實施點云配準,用輸出報表的方式進行斷面分析,最終使用最小二乘法來擬合斷面,分析設計半徑和隧道收斂變形,從而有效確保地鐵隧道收斂變形監測的效果。

結束語

綜上所述,在地鐵隧道收斂變形監測中正確運用三維激光掃描技術,需要處理好點云數據和點云配準工作,綜合分析設計半徑和隧道收斂變形,以此提升地鐵隧道收斂變形監測質量。