移動三維激光掃描技術在地鐵隧道斷面檢測中的應用

丁孝兵，楊坤，陸慶蝦

(佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000)

1 引 言

21世紀以來，具有節能、快捷和大運量特征的城市軌道交通建設愈趨受到眾多城市的關注，成為城市公共交通的重要組成部分，軌道交通猶如城市的血管脈搏，為城市注入生命與活力。在軌道交通建設中，盾構法因施工速度快、自動化程度高以及對地面交通影響等原因，在實際工程中被廣泛應用。然而由于盾構隧道所處的地質條件、周邊臨近工程施工、建筑荷載、列車日常運營振動等影響，會導致隧道變形，存在嚴重的安全隱患，因此，應對地鐵隧道定期開展檢測，以確保其安全運營。傳統的隧道檢測方法觀測效率低、勞動強度大、自動化程度低。近年來雖然靜態三維激光掃描技術已被用到地鐵測量，但為了獲取質量好的數據，需要不斷換站掃描及布設標靶。移動三維激光掃描技術的興起，有效避免了上述方法的不足，使得地鐵隧道檢測工作更加高效、便捷。本文在闡明應用移動三維激光掃描技術進行隧道檢測原理的基礎上，介紹了利用該技術開展斷面檢測的關鍵流程，并以珠三角某市地鐵總計 6 km的盾構隧道掃描實踐為例，對結果進行分析以驗證該方法的可靠性、高效性。

2 隧道移動三維激光掃描系統

2.1 數據采集設備組成

點云數據采集采用的是合作單位自主研發的隧道移動三維激光掃描系統，該系統硬件部分主要由3個組成部分(如圖1所示)，包括軌道小車、三維激光掃描儀和里程傳感器。軌道小車為本系統的運行提供動力和平臺載體，采用高精度步進電機，電機可按照設定的速度檔位輸出恒定的轉速，滿足運行穩定的要求，小車輪子的材料采用耐磨的絕緣材料，車輪與軌道的摩擦系數經過嚴格計算，保證小車勻速運動。三維激光掃描儀采用法如Focus 3D X330掃描儀，該掃描儀支持球形掃描和螺旋線掃描(斷面掃描)模式，其中螺旋線模式專為移動掃描提供。里程傳感器主要用于對軌道車進行里程定位，本次采用的是霍爾傳感器。此外，系統還集成了微電腦控制系統，控制軌道小車、掃描儀和傳感器以及數據存取。

圖1 隧道移動掃描測量系統

2.2 掃描數據處理

隧道移動三維激光掃描每秒可獲取上百萬點云，采集的海量點云數據中不可避免地存在噪聲點，因此，需對以上噪聲點進行識別和刪除。同時由于移動掃描采用的是螺旋線掃描模式，y坐標(軌道中線切線方向)幾乎為零，故需要首先利用里程定位信息還原隧道點云三維坐標。由于里程定位誤差及沒有掃描儀精確的姿態信息，此時點云并非準確的隧道管片點云坐標，仍無法進行隧道整體變形分析，但可根據預制管片環寬固定的特點采用逐環提取的方式，對單一環的數據進行分析。此外，為獲得最終的隧道橫斷面、橢圓度及水平直徑等信息，需對點云數據進行抽稀壓縮、橢圓擬合、隧道中軸線提取、橫斷面、水平直徑解算及隧道內壁影像等。具體流程如圖2所示：

圖2 數據處理流程

(1)點云去噪

隧道掃描采集的點云噪聲主要是盾構管片的螺栓孔、注漿孔螺帽、照明設備、各類管線、人行平臺、電箱及其他管壁附屬設施等，此外掃描儀也會產生噪聲點。點云噪聲剔除的方法有很多如高斯濾波、拉普拉斯算子、平均曲率流、半徑濾波、雙邊濾波等。對于盾構隧道特殊的形狀，本文采用基于切片的點云去噪算法，首先通過最小包圍盒確定隧道延伸方向，然后基于隧道延伸方向，對隧道進行分段提取切片。接著對每個切片進行橢圓擬合，最后根據各點擬合殘差v是否大于2倍擬合標準差σ，識別并剔除噪聲點。

(2)橫斷面及水平直徑解算

盾構隧道的變形主要集中于襯砌連接螺栓接縫位置，隧道變形往往與錯臺變形同步發展。為確保擬合圖形與實際的一致性，提高解算精度，本文采用如圖3所示的橢圓分段擬合方法。

圖3 橢圓分段擬合

利用圓的擬合方程，對1、2、3、4、5段圓弧進行擬合，得到5個圓弧的圓心(x1，y1)，(x2，y2)…(x5，y5)和5個半徑R1、R2、R3、R4、R5考慮到天頂上海鷗塊較短，數據點少，因此權重較小，最后使用1、2、4、5弧段的圓心的重心作為該斷面的中心o(x0，y0)，其中：

(1)

由于每段隧道各圓弧的接縫處點相對位置是固定的，因此圓弧的起始角度和終止角度可根據實際情況預先設定，該隧道圓方程可寫為：

(2)

該圓上一點到隧道圓擬合中心C(X0，Y0)的距離d就可以寫為：

取極角90°的斷面點距離d1與極角為270°的斷面點距離d2之和作為斷面的水平直徑d。

3 應用案例

3.1 項目概況

珠三角某市地鐵隧道埋深10.5 m～22.4 m，最大站間距 2.72 km，最小站間距 1.05 km，平均站間距 1.23 km。為獲取隧道初始狀態本次累計對6段區間共計 6 km的線路采用隧道移動三維激光掃描系統獲取了 3 866個盾構管片的三維激光點云數據。根據本文所述方法利用自主開發的數據處理軟件解算出隧道橫斷面、水平直徑，并生成隧道內壁影像。

3.2 數據采集及注意事項

(1)作業準備

使用前測試輪子與車體的絕緣性，檢查可分解部件檢查連接是否穩固，確認電機是否能夠正常驅動，檢查必要的工具是否齊備。首先將車體安置在軌道上，然后將可拆卸部件安裝在車體上，再將儀器臺和儀器設備安置在車體上，可在 5 min內完成組裝。

(2)現場測量

檢查確認車輛各部件是否正常工作，設置正確的速度檔位、儀器參數和其他要素，確保掃描斷面與隧道中軸線垂直，開始軌道上的移動掃描測量。測量作業期間，軌道小車前方應設專人作為引導員以提前發現不利作業因素。此外應注意軌道道床中間突出的停車限位裝置、軌道內側的涂油機噴油頭、支撐軌距的橫桿連接裝置、計軸計、斷電絕緣頭、其他車輛的避讓、小半徑轉彎或通過道岔時的通過性以及大坡度區段防止軌道小車溜坡。

3.3 成果分析

本次掃描成果主要包括隧道橫斷面圖、隧道斷面水平直徑及隧道內壁正射影像圖，同時對上述成果進行了分析。

(1)隧道橫斷面

在確保掃描斷面垂直隧道中軸線的前提下，每個掃描斷面均為隧道橫斷面。結合里程信息和影像中的環號信息，即可提取指定環號或指定里程的隧道橫斷面。圖4為1#區間線路第8環隧道橫斷面圖。

圖4 隧道橫斷面

圖5 隧道斷面擬合標準差

為說明斷面擬合情況，圖5統計了兩個區間的擬合標準差，從圖中可知，逐環斷面擬合標準差小于 5 mm，95%的斷面擬合成果標準差優于 3 mm，說明在點云噪聲處理中選擇了適合的閾值，可初步看出獲得了可靠的斷面成果。

(2)隧道水平直徑

每個隧道環片等距提取5個切片分別擬合，利用分段擬合方法獲取斷面，取極角90°的斷面點距離與極角270°的斷面點距離之和，即可得出該斷面的水平直徑，取平均值作為該環片最終的水平直徑。以1#、2#區間逐環水平直徑統計為例，如圖6所示，共選取了770環隧道移動掃描數據，曲線整體趨勢平穩，除首尾段外(受現場施工影響)水平直徑平滑過渡，與實際情況較為穩合，初步說明了解算成果的可靠性。

圖6 區間逐環水平直徑統計

為進一步驗證隧道水平直徑解算可靠性，表1統計了某兩環水平直徑解算的中誤差。由表1可知，每個隧道環片內計算的水平直徑間最大差值分別為 1.04 mm、 1.42 mm，水平直徑中誤差均在 1 mm以內，說明了解算成果的可靠性。

隧道水平直徑中誤差統計 表1

為驗證解算成果的外符合精度，本次利用拓普康MS05全站儀，按照每10環采集一個水平直徑數據，共計采集386個斷面水平直徑數據，對比統計數據如圖7所示：

圖7 全站儀與掃描儀水平直徑差值比較

由圖7可知，隧道移動三維激光掃描系統獲取的數據與全站儀采集數據差值在 ±5 mm以內，差值在 ±3 mm以內的占94%。因此，隧道移動三維激光掃描與全站儀采集數據具有較高的一致性，進一步驗證了該方法的可靠性。

(3)隧道內壁正射影像

三維激光掃描儀不僅可以采集點位的空間坐標信息，同時可以記錄隧道場景內的影像信息。本次將獲取的灰度影像投影展開至平面，并保持其沿隧道軸線方向上的連續性，經平面旋轉、坡度校正后，展開為規則的矩形影像，如圖8所示。影像信息經處理后，可發布至局域網平臺，方便日常地鐵結構調查、內壁附屬設施管理、應急搶險指揮等應用。

圖8 區間灰度影像圖

4 結 語

三維激光掃描技術具有快速性、非接觸性和主動性，實時獲取的數據具有高密度、高精度等特點。近年來，興起的移動三維激光測量技術更是進一步提高了測量速度。本文引入了合作單位自主研發的隧道移動三維激光掃描系統，首先介紹了其系統構成、基本原理以及關鍵流程，在實際工程應用中，獲得了高質量的隧道斷面檢測成果，并對成果進行了分析和驗證。實踐證明該方法高效、快捷，較傳統方法具有明顯優勢。同時，利用高密度點云數據獲取的隧道內壁正射影像圖可為結構調查、內壁附屬設施管理、應急搶險指揮等提供重要數據支撐。