隧道檢測中運動式激光掃描數據的處理和應用方法*

李新民 周民立

(上海工程技術大學城市軌道交通學院，201600，上海∥第一作者，碩士研究生)

三維(3D)激光掃描技術的特點是:激光射線細微、能量集中、是可見光、波程精確可計、對反射物分辨清晰、對實物外形可精確復制、對光照無要求、數據采集分辨率高和采集速率快。結合全站儀、全景攝像和數字建模等其它技術手段，可以對城市軌道交通隧道區域的建筑空間進行測形、測量或對感興趣的建筑表面進行分析。但是一般激光掃描儀都是獨立的機電系統，在應用時需要將掃描設備擱置在三腳架上，放在特定位置對周圍環境進行掃描。對于長距離軌道交通線路環境，需要分段掃描;在相鄰掃描區段設置參考標靶，然后對分段掃描后數據再進行拼接處理，自動化程度低，對現場工作人員的操作經驗和線下的數據拼接技術都有較高的要求。根據前期的研究成果［1］，在解決了移動承載平臺、傳感定位方法和同步檢測系統的關鍵技術后，本文的研究團隊已經成功地完成了運動式移動激光掃描數據采集系統的研制，在移動平臺上進行激光掃描數據采集，同樣獲得了完整的3D空間數據，而且大大提高了數據采集效率。本文結合上海軌道交通1號線上海南站站至莘莊站區段地下隧道的運動式激光掃描數據采集試驗，總結了采集的后數據處理方法和應用方法。

1 系統組成及工作流程

運動式激光掃描的空間數據采集、數據處理和數據應用工作流程如圖1所示。已經研制的數據采集系統是由移動平臺、承載在平臺上設置成2D工作模式的激光掃描儀和安裝在平臺輪軸上的傳感器等硬件組成。采用的關鍵技術方法是在平臺移動時對隧道切面{X，Z}進行空間數據采集，記錄下掃描進程與平臺實時位置的關系，生成同步文件供重建軌道伸展方向Y軸使用。采集后數據的處理是根據同步文件中的信息來分析平臺移動軌跡，確定相應Y軸線狀走向，并推導出對采集后空間數據的轉換公式，以便生成完整的3D隧道空間數據。數據處理還包括對掃描儀輸出空間數據特殊格式轉換為通用格式(或者應用SDK編寫程序讀取數據)、對數據缺失性的質量評估，以及對數據統計特征的分析。

圖1 運動激光掃描數據系統的工作流程

現場試驗使用的是德國法如公司的Focus 3D掃描儀［2］，在設置成2D切面掃描模式時在掃描圓周線上的分辨率可選為 1/32、1/16、1/8、1/4、1/2 和1六級，分別對應在一個半圓周上的掃描點數為543、1068、2134、4268、8534、17068?？臻g數據序列的表示方法是:每1個掃描圓圈由左右2列(column)組成，每1掃描圓圈上的數據點由行(row)來表示。試驗使用的是一段35 m長，掃描分辨率 1/4，質量 4x，總共 2 500掃描圈(5 000 columns)的拱形隧道截面數據。

2 采集后數據處理方法

2.1 平臺移動距離估算

當平臺直線行走時，通過對車載位置檢測可以得到2D點云數據所缺失的在Y坐標軸上的數值，并建立隧道切面空間點云數據與所在Y軸方向位置數據的關聯。在理論上這種數據關聯是嚴格實時同步的，需要通過CAM(通信協議)等通信方式將位置信息以標簽方式實時貼入動態掃描數據的屬性中。試驗中考慮到掃描點空間軌跡雖然是螺旋形狀，但是平臺移動速度慢和掃描鏡頭轉速快，可假設3D數字空間由許多數字切面相鄰組成，且相鄰切面之間距離均等，于是掃描數據點在Y軸向上的位置就是數據點所在切面在Y軸上的位置?？梢詫⒚總€掃描切面當前序列號與移動平臺實時位置相互關聯，并建立同步文件供線下數據的重建?，F有編碼器每旋轉一圈均勻輸出1 024個TTL(晶體芯-晶體芯邏輯電平)個脈沖及每個脈沖在t時刻的正反向標志Kt(=1前走;=－1倒退)。若輪子半徑為R，可計算移動平臺當前行走的距離:

式中i=1，2，分別表示左右輪。由此可估算任意時刻移動平臺在Y軸上的位置以及建立與掃描數據的關聯同步。這種以切面線來近似螺旋線導致的數據誤差，與激光掃描鏡頭旋轉速度和平臺移動速度有關，主要可以通過控制平臺移動速度來調整。這種方法的優點是簡單，可以僅使用一個編碼器，將輸出信息經簡單變換為在Y軸上的位移軌跡?？紤]到現場軌道線路的緩直度大，又是對局部隧道進行分析，在試驗數據處理時采用的就是以上對于直線軌道線路的切面近似方法。

2.2 彎軌移動軌跡估算

在線路彎道時平臺的實際移動軌跡就不是在直線Y軸上移動，而是在{X，Y}矢量平面上移動。已研制的數據采集移動平臺在前端一根輪軸兩端分別安裝一個編碼器，通過對2個編碼器輸出脈沖的分析計算，來估算移動平臺在{X，Y}平面上的軌跡曲線，然后再對{X，Z}數據的空間坐標值變換。已經研究的2種算法有［1］近似截面形掃描算法和實際螺旋形掃描算法。前者類似于本文2.1節中的方法，只是相鄰切面間距不等，特點是計算量較小、近似誤差隨平臺移動速度而變;后者在任何移動速度時對掃描點空間位置的估算誤差小，但是計算量較大。以上方法能夠在重建的3D空間數據中表示出實際隧道彎曲度，特別適用于在制作隧道數字空間地圖方面的應用。

2.3 3D點云數據重建

應用VC++.NET編程，將運動掃描獲取的{X，Z}空間數據與生成的{Y}數據融合，重建為3D點云數據{X，Y，Z}。試驗中采用的是人力移動平臺，行走距離為35 m，掃描圈數為2 500，移動速度在1 km/h左右，對數據采用直線近似切面形掃描算法完成重建。圖2是將重建后3D點云數據導入到法如公司SCENE軟件中生成的圖像示意。

2.4 數據質量檢查

圖2 移動掃描3D點云空間圖

數據質量指激光掃描儀采集數據的完整性。由于激光掃描儀在數據采集過程中掃描射線的位置可能產生漂移、激光射線收發同步控制可能有隨機偏差等多種原因，理論上規定接收到的掃描點數可能會缺失。在試驗中對掃描數據質量檢查的方法是:①以列(column)為參數變化，檢查在該列截面上所有行數據和的丟失率;②是以行(row)為參數變化，檢查在這一行上所有列數據和的丟失率;③是求采集任務的總的數據丟失率。試驗中應用以上3種方法對數據質量進行了檢查，結果說明:激光掃描儀在起始工作10 ms內的數據丟失率較大，在采集結束指令發送之后通常還會接收到一些額外的數據;大多數丟失的數據都是發生在+Z軸附近的row0—row7，而這個區域正是數據結構中序號開始的區域;數據整體丟失率小于2%。

2.5 數字特征分析

數據數字特征主要指在特定掃描切面上所有數據點的最大值、最小值、平均值和方差等統計特征，可用于對隧道截面形狀的大致評估。數字特征的坐標原點，是以安裝在移動平臺上的掃描儀中心離軌道平面的高度，和以軌距1/2為中心點位置來確定的。數字特征還可應用到對同步數據的分析，移動平臺行走時的速度不均勻，就會有相鄰切面間隔值的數字特征表現。平臺移動速度的控制主要取決于應用精度要求與數據采集和計算成本之間多因素的綜合。應用到隧道截面分析的平臺移動速度可以稍快些，試驗中控制在3～5 km/h。應用到隧道墻分析的移動速度需要慢些，試驗中宜控制在1 km/h左右。試驗還發現相對于電動平臺，人工平臺對速度控制比較困難，速度方差較大，對數據精度的一致性有一定影響。

3 3D點云數據應用

隧道空間數據可以應用到對隧道工務維護管理和對隧道數字地圖制作等許多領域。以下總結了在隧道截面分析和濕漬檢測方面的試驗情況。

3.1 隧道截面形狀分析

對隧道切面的激光掃描數據建模后自動生成截面圖［3］，可用于車載的或線下的軌道線路限界檢測處理。圖3是從試驗數據中取出的掃描行程在7.2 m時第600圈上的點云數據，近似作為相應的隧道截面數據，在軟件Matlab屏幕上顯示。可見隧道基本形狀是拱形，可大概識別出關于頂部受電弓、二側電力與通信電纜以及軌道等物體的反射點。圖中座標原點(0，0)是激光掃描鏡頭的中點，X1和X2分別是在同一Z高度和在X方向從原點到左右二邊墻面的長度。區段截面分析是對多個相鄰單截面集成的分析，可以進一步獲知隧道的建筑形狀及其參數變化，以及識別設備安裝位置，生成的工作報告內含信息更為豐富。

圖3 截面形狀顯示與參數分析

3.2 隧道墻面濕漬分析

3.2.1 平面展開

圖4為試驗中采用的第一種方法對采集數據中前1 000圈數據展開的平面示意圖。

圖4 展開的二維平面圖

將3D空間點云數據展開為2D平面數據，可方便用于對墻面災害的圖像分析?；驹硎菍γ恳粋€掃描切面，將所有相鄰掃描點連接后的空間弧長都序映射到X方向的直線上。一種方法是由平面幾何原理，將相鄰空間數據點的極坐標曲率半徑r(m)與r(m－1)之間的夾角θ(m)，乘以r(m－1)=，來近似夾角弧長L(m)。另一種方法是由空間幾何原理，連接2個起始同一原點的空間矢量端點的第三個矢量長度可由L(m)=來近似。試驗中采用的是第一種方法對采集數據中前1 000圈數據展開為平面的示意，這種方法在墻面崎嶇不平時近似誤差較大，但是計算量較小。

3.2.2 濕漬檢測

已有研究說明，激光掃描儀反射值可以感知巖石表面的干濕程度［4］。試驗所采用的激光掃描設備的反射數值分布在0～255(單位)的范圍里，反射值大(小)說明掃描點反射率高(低)。以此原理，濕漬檢測可以通過確定合適的反射閥值，并對數據二值化處理的方法來識別濕漬區域。對于新建或者運行年數不久的隧道，由于墻面底色比較干凈，相應的識別結果比較準確。但是反射率可能是多個因素(如材料硬度、潮濕度和原污跡等)的綜合作用結果，現場試驗進一步說明，對運行年數較多的地鐵隧道，由于季節性的滲水和干沽的輪回，墻面留下許多污水痕跡，激光掃描在這些區域的反射值與在真實濕漬區域的反射值二者之間很難區分。在實際工作中需要對數據采取必要的處理，包括對陳舊痕跡數據的濾波去除、對實際水跡濕漬的多閥值監測，并結合人工現場判別等多種相結合的方法。由于條件限制，試驗中發現對陳舊隧道濕漬區域的算法識別還有待深入研究。

3.2.3 濕漬面積計算

圖5是將閥值設為190對圖4數據進行二進制數值化，并結合人工識別方法確定的濕漬區域(圖中左下角2條黑色區域)平面圖像以及參數報告。其中縱向Y表示軌道方向，橫向X表示二墻面與頂面展開在同一平面上的方向。利用Matlab的Bwlabel和Regionprops等函數可計算出區域內的二值像素個數，并得到2條濕漬區域的總面積近似為1.439 7 m2。

4 結語

本文針對已經研制完成的運動式激光掃描系統，結合上海軌道交通1號線上海南站隧道的現場掃描試驗，對數據處理及應用方法進行了研究與總結。數據處理方法包括:平臺移動軌跡分析、Y軸數據重建、數據質量檢查、數據數字特征分析、以及3D空間點云重建，這些處理工作對數據的正確應用是必須的和十分重要的。本文還總結了3D點云數據應用于隧道的截面形狀分析和墻面濕漬檢測與濕漬計算方面的試驗結果，為運動激光掃描空間數據的進一步應用獲得了寶貴的經驗。

［1］周民立，李新民.基于運動激光掃描技術的鐵路隧道建筑空間數據采集與處理系統［J］.上海工程技術大學學報，2012，26(3):219.

［2］法如公司.法如激光掃描儀Focus 3D規范［EB/OL］.(2013－03－ 15)［2013 － 09 － 10］.http://www.faroasia.com/laserscanner.

［3］肖清華，張繼春.隧道斷面自動成圖的數學模型研究［J］.鐵道建筑，2006(9):29.

［4］宋姘，王曉琳，李洋，等.三維激光掃描技術與數碼影像地質編錄系統隧道圍巖信息采集應用對比研究［J］.隧道建設，2013，33(3):197.