利用點云構建隧道斷面的形變監測方法

(陜西交建公路工程試驗檢測有限公司， 陜西 西安 710117)

利用點云構建隧道斷面的形變監測方法

黃正濤

(陜西交建公路工程試驗檢測有限公司， 陜西 西安 710117)

本文通過對點云在不同坐標面的各項信息進行疊加分析，從而獲得到隧道的整體形變情況。然后將利用點云構建隧道斷面的形變監測方法同傳統的監測方法進行比較，突出該方法的有效性以及對隧道的形變情況的直觀表達的特點，以期為隧道斷面的形變監測方法提供一定的借鑒。

點云數據；隧道斷面；監測方法

引言

利用三維激光掃描技術所獲得的隧道空間變形數據，具有實時、準確、全面的特點，可以有效的對隧道進行監控量測以及對施工進行變形分析和反分析，從而完善隧道施工風險預警機制，更好的指導信息化施工。利用點云構建隧道斷面的形變，點云數據的準確度對監測的結果影響重大，需要進行重點關注。

一、利用點云構建隧道斷面的形變監測方法概述

在隧道斷面的形變監測中，水準儀、收斂計以及GPS等常規儀器雖然能夠提供準確的觀測數據，但也有一定的缺陷，就是對于布設在拱頂及側壁上的檢測點的數據無法取得，另外，由于采用傳統儀器獲得的數據比較離散和稀疏，因而很難對隧道的整體形變趨勢做出及時有效的反映。針對此問題，在進行利用點云構建隧道斷面的形變監測時，需要積極采用三維激光掃描方法來確保隧道斷面的整體變化趨勢進行有效的監測。本文對采用三維激光掃描技術所獲得的隧道點云數據進行研究，并且對獲得有效的隧道橫斷面方法進行詳細的分析，確保進一步構建檢測對象的空間表面模型的準確性，實現通過對隧道斷面的數據進行分析，從而通過對比得出隧道斷面的形變趨勢及變化規律。

隨著我國建筑工程的不斷發展，利用三維激光掃描儀進行隧道的形變監測是一條必由之路，已經引起了行業的特別重視，各種有效的利用點云構建隧道斷面的形變監測方法不斷出現，針對其中各詳細分支的研究也更為細致。例如為提升激光點云分割質量而對隨機抽樣進行改進的一致性算法；在進行濾波的同時還保持了地物細節特征的點云強度三維擴散濾波方程，以及針對多個曲面的高程進行對比而形成的三次多項式插值曲面擬合方法，繪制隧道縱橫斷面圖等，都是對利用點云構建隧道斷面的形變監測方法的有效支持。

二、基于曲線擬合的隧道斷面提取方法

（一）點云數據的提取

點云數據根據不同的測量原理，一般分為根據激光測量原理得到的點云和根據攝影測量原理得到的點云，二者都包含必要的三維坐標，區別在于前者需要對激光反射強度進行分析，后者是對顏色信息進行分析。并且根據點數量以及點與點之間的間距區分為稀疏點云和密集點云。隧道工程一般都是一種狹長的結構，有著嚴格的施工安全步距，采用三維激光掃面議進行點云掃描，受掃描距離的影響是很大的，通常為獲取充足的點云數據，確保隧道工程的安全性，監測站所進行監測的點云數據通常都是將范圍控制在幾十米，盡可能的降低特殊隧道構造產生的特殊問題對監測結果的影響。采用過這種分段式的方法進行點云數據的獲取，需要各個階段間具備一定的重合才能保證監測數據的連續及可靠。也就是說，在進行點云數據的獲取時，一定要保證每兩個監測站之間必須存在一定規模的公共部分，避免出現數據斷流。施工單位可以通過中線來顯示出整個隧道的整體走向，選擇隧道任意一段區間來獲取點云數據，將該范圍內投影后得到的點云在儀器的橫向及縱向掃描面方向上的最大值和最小值，求出其中的平均值，然后運用二次曲線對所得到的平均值進行擬合，從而實現獲得掃描平面上的中線方程。

（二）構建隧道斷面

構建隧道斷面是利用點云構建隧道斷面的形變監測方法的重要環節，也是選擇形變監測方法的重要依據。需要在隧道中線上選擇某一點，并將該點與其鄰域點進行綜合計算，確保兩點的關系滿足曲線方程，從而以此點的切向量來構建關于該點的隧道斷面。本文將隧道內壁單位間隔內的點視認為處于同一平面，以此作為依據賴構建對到橫斷面的輪廓線。

三、基于多期斷面疊加分析的隧道形變動態監測方法

（一）點云濾波和坐標轉換

由于隧道工程的復雜性，在進行原始激光點云分析時，通常會有注漿孔、電纜及螺栓等附著物在隧道斷面上形成點，對點云數據造成一定的影響，需要在構建隧道斷面前予以排除。本文論述中，將隧道的橫截面視為一個橢圓形，以此來對分割后的各區域內的點云進行擬合，并通過平差模型的結算來實現濾波，這種方法被稱為橢圓柱面擬合濾波方法，是一種常見的濾波方法。

激光點云坐標實際上是一種自定義空間形成的空間三維直角坐標系，需要將理論數據轉為實際的施工坐標系。本文在這個轉化的過程中采取攝影測量的方法，以直角坐標轉換公式將點云中的所有點全部轉換到實際的施工坐標系中。

（二）斷面變化自動檢測方法

采用斷面變化自動檢測方法，需要事先設定出一個間隔數值，在每個間隔處設置一個點，在其中選取任意一個點，以此點作為中心來截取一定厚度斷面的離散點集，在此點的前后各設置一個點；并在此隧道斷面上的各個點為中心，確定一個固定的角度去對點云進行搜索，并將這些點的坐標信息進行保存。在搜索期間，任何一個角度內未搜索到對應的點，那么就需要對相鄰的區域內的各離散點進行局部的曲線擬合，進行內插，從而得出該方向上應該對應的實際斷面點坐標。將兩期的點云位置的坐標值采用不同顏色進行標注，一旦離散點集內的變形點超過設定值，就可以判定此區域為重點形變區域。

（三）基于極坐標的斷面形變分析方法

在利用點云構建隧道斷面的形變監測時，可以對多起提取的斷面進行自動變化監測，將變形量較大的離散點集篩選出，并對其進行投影以及斷面輪廓線的擬合，最后選取極坐標法來對斷面進行形變分析。采用這種方法，首選需要在斷面所在的平面內進行投影的計算，其次將斷面的輪廓線進行擬合，最后進行斷面形變分析。采用此方法需要注意的是，在實際的計算過程中，由于存在障礙物遮擋及隧道空間掃描角度等客觀因素的限制，掃描結果很容易出現點云空洞，因此在進行斷面輪廓線擬合時，要充分的利用橢圓擬合法，將橢圓中心與斷面中心的相關關系進行工程計算，確保隧道斷面的輪廓線能夠同時滿足這兩種曲線的方程要求。另外還需要注意的是，在進行斷面形變分析時，需要對隧道不同時期的相同位置的斷面進行構建，將數據進行疊加然后采用極坐標法，將數據進行形變分析，得到的結果就是這段時間內隧道在空間上的位移變化量。而通過對隧道斷面在某一監測時段內的位移的變化量的繪制，可以更為直觀的將隧道斷面的形變趨勢表現出來。

結語

利用點云構建隧道斷面的形變監測方法，是有效提升隧道施工的重要方法，并提升施工整體的質量和安全，確保工期內完工。在實際工作中，由于隧道地質的復雜性，新的問題及新的挑戰不斷出現；同時由于利用點云構建隧道斷面的形變監測方法所獲得的資源有限，測量時可能會出現一定的誤差，需要施工團隊積極吸取經驗教訓，對隧道斷面的形變監測方法不斷進行技術革新，進而提升形變監測的準確度，更高的為隧道工程建設提供有效的支持。

[1]紀思源,王同合,張國龍,李敏.基于激光掃描點云的隧道斷面提取方法[J].測繪工程. 2017(06)

[2]盧小平,朱寧寧,祿豐年.基于橢圓柱面模型的隧道點云濾波方法[J]. 武漢大學學報(信息科學版).2016(11)

[3]吳愛,康志忠.隧道斷面截取曲面擬合優化的點云簡化方法[J].測繪科學.2015(09)

G322

：B

1007-6344（2017）08-0314-01