基于點云數據的地鐵隧道變形監測方法研究

朱海英

（甘肅省華亭市自然資源局，甘肅 平涼 744100）

三維激光掃描技術比起傳統測量技術，它的作業過程更加簡單、工作過程快捷、采集數據精度高、能得到三維數據，數據應用更為廣泛，在多個工程領域都有很大的用途。點云數據研究隧道變形比起傳統方法有很多優點，不用換各種儀器測量隧道變形，也不用花費大量人力物力，而且能得到隧道三維模型，更加直觀反映隧道信息。

1 三維激光掃描技術

根據測距原理，三維激光掃描儀主要有兩種，即基于脈沖激光掃描儀和基于相位激光掃描儀。兩種三維激光掃描儀在有效距離和精度方面各有優勢。根據搭載平臺劃分機載激光掃描系統、地面型激光掃描系統、手持型三維激光掃描儀。

掃描儀的作業過程其實就是在不斷采集距離信息、角度信息和處理這些信息，讓這些信息變成三維空間信息，采集被測物表面所有的點云數據，并把這些數據保存在儀器系統的坐標系下。如果一站不能測全就多架設幾次測站，但每一站都會有單獨的儀器坐標系，后期處理的時候需要把它們集合在一個坐標系下，一般是大地坐標系，然后進行數據處理，得出三維空間模型。

2 地鐵隧道變形監測

2.1 隧道變形監測的目的

基于點云數據隧道監測是測出隧道表面所有點，通過專業軟件處理得出隧道的模型信息，然后分析隧道模型得出隧道變形信息。隧道變形監測的目的就是得出隧道變形信息，為隧道設計和施工提供解決方案，以保證隧道的經濟性和安全性。在目前的隧道工程中，監測內容主要包括幾何監測和物理力學監測。

2.2 變形監測點的布設

在施工過程中，監測部分通常每10m 設置1 次，每個部分設置5 個監測點，點位分布如圖1 所示。

圖1 隧道監測部分監測點分布

通過這些監測點進行拱頂沉降測量、地表沉降測量、周邊收斂位移量測。

3 三維激光掃描數據的獲取及預處理

3.1 基于地面三維激光掃描系統的數據采集

三維激光掃描儀獲取點云數據和數據處理上一般有3 個階段：掃描前準備、現場掃描和處理獲取的數據。流程圖如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描儀作業流程圖

3.2 數據預處理

三維建模時的數據處理步驟主要分為兩步，即點云數據的預處理和利用建模軟件進行目標實體的三維模型構建，其中點云數據的預處理又有點云數據的配準、拼接、去噪、分割等。

4 隧道模型建立與變形分析

4.1 模型的建立

PolyWorks 軟件能快速和高質量處理點云數據，通過PolyWorks Model，建立模型與模型處理。使用PolyWorks Inspection，對點云數據的檢查處理。建模的基本原理是對點云散點連接成三角網、刪除錯誤拓撲序列、填補漏洞、得到三角化數據模型。

預處理完的數據從HLS 文件轉換las 格式，接著在PolyWorks 軟件中新建工作區，并通過PolyWorks Inspector 工具，加載數據las 格式的隧道點云數據，再經創建三角化數據對象，用polyWorks Modeler 打開，刪除拓撲錯誤，對三角化模型經過補洞處理、優化曲率得到隧道模型如圖3 所示。

圖3 隧道點云數據和隧道模型

4.2 基于點云數據的隧道變形監測

因隧道變形監測中拱頂沉降、周邊收斂以及地表沉降須通過隧道的切片信息獲得，所以要進行點云數據的隧道中線、連續斷面提取，再基于隧道斷面信息分析隧道變形。

（1）隧道中軸線提取。首先通過三維激光點云數據提取隧道點云邊界，再擬合出隧道上下邊界線，最后根據上下邊界解算出中軸線。點云邊界提取過程如圖4 所示。

圖4 點云邊界提取

（2）連續斷面提取。得到隧道的中軸線后，就可以提取隧道的連續斷面信息，對于中軸線上任意一點，計算該點處的切線，則該切線的法平面位置即為隧道斷面。如圖5 所示。

圖5 斷面生成

本次研究的隧道是直線狀的，需要對點云進行坐標轉換，即使隧道擬合出的中軸線與Y 軸平行。一般將隧道中軸線作為隧道斷面提取的方向，提取出的斷面才能投影到標準平面內，方便后期數據分析。隧道斷面提取如圖6 所示。

圖6 斷面提取示意圖

4.3 隧道變形分析

（1）斷面分析。通過對中軸線的特定里程處進行斷面提取，得到同一里程第二期和第三期的斷面如圖7 所示。兩期斷面的監測數據表明地鐵斷面的橢圓度均小于6‰，凈空收斂監測控制值均小于12.4mm，完全滿足規范中的驗收標準。

圖7 同里程兩期斷面

經軟件測量，本文研究的8 個里程斷面的橢圓度見表1，可以看出8 個位置的斷面都符合規范驗收標準。

表1 斷面參數

（2）隧道模型分析。已知三維激光掃描儀觀測時，目標在25m 的范圍內精度可達到1mm。本次內業處理時，將多站觀測數據使用靶球拼接后，檢測精度依然達到了1mm，在此基礎上建立的模型精度是相當高的。通過三維模型可以直觀看出隨道存在的變形大小及位置。隧道模型內壁如圖8（左）所示，隧道模型內壁接口處如圖8（右）所示。

圖8 隧道模型內壁與內壁接口處

5 結束語

基于點云數據的地鐵隧道變形監測中，三維激光掃描技術是一種非接觸式測量，相比傳統觀測手段具有易觀測、精度高、外業工作量少的優點，可在工程實踐中大大提高工作效率。本文通過數據處理的實例為工程應用提供了一定的參考。