一種新的城市電纜隧道變形監(jiān)測方法研究

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一種新的城市電纜隧道變形監(jiān)測方法研究

葉珉?yún)?*，周旺輝2

（1.佛山市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東佛山 528000； 2.蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息有限公司，江蘇蘇州 215027）

傳統(tǒng)的城市電纜隧道變形監(jiān)測方法易受到監(jiān)測點數(shù)量、觀測時間、勞動強(qiáng)度、觀測條件等多方面因素的制約，且屬于單點式監(jiān)測模式，無法對隧道整體變形趨勢進(jìn)行有效監(jiān)測。針對上述問題，根據(jù)矩形城市電纜隧道的特點，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，提出一種新的基于正交整體最小二乘平面擬合的城市電纜隧道變形監(jiān)測方法，通過計算擬合平面之間夾角及距離的變化，進(jìn)行隧道凈空水平位移及拱頂下沉趨勢的分析。實例結(jié)果表明，該方法具有較高的可行性。

三維激光掃描；城市電纜隧道；正交整體最小二乘；變形監(jiān)測

1　引 言

傳統(tǒng)的城市電纜隧道變形監(jiān)測方法是通過在斷面上布設(shè)多個監(jiān)測點，采用水準(zhǔn)儀、全站儀等觀測各點獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行變形分析。在傳統(tǒng)方法中，布設(shè)的監(jiān)測點數(shù)量過多則工作量增大，觀測所需要的時間長，勞動強(qiáng)度高，若減少監(jiān)測點的數(shù)量則不能很好地反映出變形趨勢；觀測精度受到觀測條件的影響較多，在自動化方面比較差，且局限于所布設(shè)的控制點，只能反映局部變形信息，無法對隧道的整體變形趨勢進(jìn)行有效監(jiān)測［1］。

近年來，三維激光掃描技術(shù)以其數(shù)據(jù)獲取速度快、實時性強(qiáng)、精度高及全天候工作等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于大壩、滑坡、隧道等變形監(jiān)測領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外學(xué)者在基于三維激光掃描技術(shù)的隧道變形監(jiān)測方面都做了一定的研究，主要方法都是將獲取的隧道點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，并對多期的掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后進(jìn)行疊加分析，以獲取隧道的整體變形信息［1～4］。本文根據(jù)城市電纜隧道的特點，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，提出一種新的基于正交整體最小二乘平面擬合的城市電纜隧道變形監(jiān)測方法，并通過實例驗證該方法的可行性。

2　城市電纜隧道變形監(jiān)測方法

2.1傳統(tǒng)方法

如圖1所示，傳統(tǒng)方法通過在電纜隧道各個斷面上布設(shè)多個監(jiān)測點，采用三角測量、水準(zhǔn)測量或交會測量等方法進(jìn)行觀測，獲取隧道的拱頂下沉、凈空水平位移等變形信息［5］。如上所述，傳統(tǒng)方法易受到監(jiān)測點數(shù)量、觀測時間、勞動強(qiáng)度、觀測條件等多方面因素的制約，且屬于單點式監(jiān)測模式，只能通過少數(shù)點對隧道進(jìn)行監(jiān)測，難以發(fā)現(xiàn)無監(jiān)測點區(qū)域的變形情況，無法對隧道整體變形趨勢進(jìn)行有效監(jiān)測。

圖1　隧道斷面監(jiān)測點布設(shè)圖

2.2本文方法

根據(jù)矩形城市電纜隧道頂面、底面及兩側(cè)面都為平面的特點，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，提出一種基于正交整體最小二乘平面擬合的城市電纜隧道變形監(jiān)測方法。首先利用三維激光掃描儀獲取隧道點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過去噪等預(yù)處理之后，使用軟件從隧道最前端開始根據(jù)設(shè)置的距離及厚度自動提取隧道斷面，然后對每個斷面中的平面進(jìn)行正交整體最小二乘平面擬合，并計算相關(guān)幾何參數(shù)以進(jìn)行變形分析，該方法具體實現(xiàn)步驟如下:

（1）對斷面中的底面及兩側(cè)面點云數(shù)據(jù)進(jìn)行正交整體最小二乘平面擬合。正交整體最小二乘以點到平面的正交距離平方和最小為準(zhǔn)則，同時顧及了因變量和自變量的誤差，擬合精度較高，而且該方法算法簡單，計算效率高，更易于實現(xiàn)，具有較高的可行性［6］，其平面模型如式（1）所示:

平面參數(shù)a、b、c的求取:構(gòu)造矩陣M，計算MTM。M形式如式（2）所示:

對MTM進(jìn)行特征值分解，最小的特征值所對應(yīng)的特征向量即為未知參數(shù)a、b、c的值，同時（a，b，c）為該平面的法向量。

（2）根據(jù)平面法向量，分別計算隧道左側(cè)面與底面之間的夾角及右側(cè)面與底面之間的夾角。兩向量之間的夾角公式如式（3）所示:

（3）求取隧道頂面重心，根據(jù)點到平面的距離公式，計算隧道頂面重心到底面之間的距離。某點到正交整體最小二乘擬合平面的距離公式如式（4）所示:

依次對每一個斷面按照上述步驟計算相關(guān)的夾角及距離值，獲取多期數(shù)據(jù)之后，通過對比相應(yīng)斷面中的夾角變化進(jìn)行隧道凈空水平位移趨勢的分析，通過對比頂面重心到底面之間的距離變化進(jìn)行隧道拱頂下沉趨勢的分析。

本文方法將斷面中的所有點都納入計算，實現(xiàn)了隧道整體變形的細(xì)化分析。變形監(jiān)測結(jié)果較傳統(tǒng)的單點監(jiān)測更加符合隧道的真實變形趨勢，一次掃描即可獲得多斷面數(shù)據(jù)，極大減少了工作時間，降低了勞動強(qiáng)度。多期數(shù)據(jù)對比分析無需進(jìn)行配準(zhǔn)，減少了點云配準(zhǔn)所帶來的誤差，變形監(jiān)測的精度更高，而且算法簡單，易于實現(xiàn)，與現(xiàn)有工程測量及變形監(jiān)測規(guī)范所要求的監(jiān)測模式較為一致。

3　實例分析

使用Riegl VZ-400三維激光掃描儀獲取某城市電纜隧道的點云數(shù)據(jù)（見圖2），以1 m為間隔，從隧道最前端開始依次提取20 cm厚度的斷面（見圖3），以某斷面為例，使用本文方法計算該斷面的正交整體最小二乘擬合平面參數(shù)及相關(guān)夾角、距離值如表1、表2所示:

圖2　城市電纜隧道點云數(shù)據(jù)（局部）

圖3　隧道斷面

隧道斷面擬合平面參數(shù)　表1

隧道斷面幾何參數(shù)　表2

對第二期掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的計算處理，相應(yīng)位置的斷面對比分析如表3、圖4所示:

兩期數(shù)據(jù)對比　表3

圖4　隧道斷面變形示意圖

由表3及圖4可以看出，該斷面處隧道拱頂下沉量為 1.41 cm，整體向右偏移，且左側(cè)位移量較右側(cè)大，但變形量總體較小。

依次對每個斷面進(jìn)行計算，前20個斷面的拱頂下沉量及兩側(cè)面位移量如圖5～圖7所示:

圖5　隧道拱頂下沉量

圖6　隧道左側(cè)面位移量

圖7　隧道右側(cè)面位移量

由圖5～圖7可以看出，隧道拱頂下沉量在1.3 cm左右，整體向右偏移，變形量總體較小。

從以上實例可以看出，本文方法能夠較好地實現(xiàn)城市電纜隧道整體變形的細(xì)化分析，變形監(jiān)測結(jié)果較傳統(tǒng)的單點監(jiān)測更加符合隧道的真實變形趨勢，而且大大提高了工作效率，具有較高的可行性。

4　結(jié) 語

本文根據(jù)矩形城市電纜隧道的特點，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，提出一種新的基于正交整體最小二乘平面擬合的城市電纜隧道變形監(jiān)測方法。通過實例驗證，該方法具有較高的可行性，能夠為基于三維激光掃描技術(shù)的隧道變形監(jiān)測提供一種新的數(shù)據(jù)處理分析方式。

［1］李健，萬幼川，江夢華等.基于地面激光技術(shù)的隧道變形監(jiān)測技術(shù)［J］.地理空間信息，2012，10（1）：14～17.

［2］Nuttens T，De Wulf A，Bral L，et al.High resolution terrestrial laser scanning for tunnel deformation measurements［C］// FIG Congress.，2010.

［3］簡驍，童鵬.基于地面激光雷達(dá)技術(shù)的隧道變形監(jiān)測方法研究［J］.鐵道勘察，2011（6）：19～22.

［4］畢俊，馮琰，顧星曄等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.測繪科學(xué)，2008，33：14～15.

［5］GB 50026-2007.工程測量規(guī)范［S］.

［6］葉珉?yún)危ㄏ蚣t，陳西江等.基于正交整體最小二乘平面擬合的點云數(shù)據(jù)去噪方法研究［J］.測繪通報，2013 （11）：37～39.

Research on a New Deformation Monitoring Method for the Urban Cable Tunnel

Ye Minlv1，Zhou Wanghui2
（1.Foshan Urban Planning Design and Surveying Research Institute，F(xiàn)oshan 528000，China；2.Suzhou Industrial Park Surveying，Mapping and Geoinformation Co.，Ltd，Suzhou 215027，China）

The traditional deformation monitoring method for the urban cable tunnel is restricted by the number of monitoring points，observation time，labor intensity，observing conditions and other factors，and is the single-point monitoring mode，unable to fully analyze the deformation of the tunnel.In response to these problems，according to the characteristics of the rectangular urban cable tunnel，combined with 3-D laser scanning technology，the thesis proposes a new deformation monitoring method based on the orthogonal total least squares fitting for the urban cable tunnel，calculating the changes in the angle and the distance between the plane to analyze the tunnel's horizontal displacement and subsidence of vault.Verified by the examples，it is indicating that the new s deformation monitoring method is more feasible.

3-D laser scanning；urban cable tunnel；orthogonal total least squares；deformation monitoring

1672-8262（2016）04-123-03

P258

B

2016—03—27

葉珉?yún)危?989—），男，工程師，主要研究方向為三維激光掃描技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金（41174010）