基于移動激光掃描三維點云的隧道限界檢測方法可行性研究

李文剛 劉永華 王璐石

招商局重慶交通科研設計院有限公司 重慶 400060

隧道限界的形成是為了保證隧道內的交通可以正常運行，保障在一定的寬度和高度范圍內沒有障礙物的空間限界，讓車輛以最安全的姿態運行。這種限界為機車提供了運行所需的空間尺度。在我國，由于軌道交通建設日益發展，隧道的建設和運行也逐漸增多，隧道限界這一重要指標也需要在隧道的日常運行維護中使用。隧道限界檢測最常用的方法是斷面檢測法，有接觸式和非接觸式兩種。最開始時采用接觸式測量，通過車上裝置帶有傳感器的框架對移動信號轉換為電信號，繪制出帶有橫斷面和終端面的圖像。這種設備造價低廉，測量精度低，而且速度慢。后來經過不斷發展，形成了更加精準的隧道限界測量方式。

1 隧道限界的檢測方法

隧道限界的檢測方法有多種，不過這些方法都有一定的局限性，并不能完全滿足軌道限界檢測的要求。如近景攝影測量采用定向拍攝的方式，將測得的數據進行影像匹配，如此能夠快速獲得隧道的三維模型，只是這種測量方法需要較高的光線需求，而隧道中的光線較差，讓此方法受到限制；全站儀配合反射棱鏡可以對隧道橫截面進行單點測量，但需要大量的人工作業而且速度很慢，采集的密度低；激光訴調斷面儀能夠直接獲取隧道斷面，但每次都只能獲得一個斷面，需要多次架站才能獲得完整數據，這對長度較長的隧道而言耗費過多測量時間；隧道限界檢測車隧道橫斷面的獲取速度較快，但造價過高，不能大量投入使用。

三維激光技術的提出，和以往的隧道限界測量方法相比有以下優點[1]：能夠適應環境，不需過高的光線；數字特征，可直接獲得三維點坐標；掃描的距離長，耗時短，造價適中；可提供高精度、高密度的掃描測量，快速獲得測量數據等。

2 三維激光掃描技術的原理

在用三維激光掃描技術對隧道限界進行測量時，采用專門的設備，即三維激光掃描儀對隧道進行實地測量。這種儀器在隧道中進行相關數據樣本的采集，結合相關軟件對這些樣本數據進行預處理和分析，形成一定的參數和影像，最后根據高效智能數據分析軟件進行分析，得到有用的坐標和數據。其具體流程是：首先進行數據采集，通過地面三維掃描儀進行三維掃描，控制點的數量并設置控制點標靶；其次對所采集數據進行分析處理，運用點云數據處理軟件進行分析，通過對所測數據點云進行去噪處理，轉成絕對坐標；最后利用隧道限界檢測軟件分析，通過設置隧道共層參數，提取隧道斷面，分析并總結限界檢測報告。

3 激光掃描的點云數據采集和處理

在對隧道限界的測量過程中，每個測量工程都要有足夠的采樣點，應該保證兩個以上的控制點，并在測量中獲取相應的控制點坐標。在隧道控制點上方架設大靶球，整平隊中控制點，便于獲得其中心點坐標，利于軟件在數據分析中實行坐標的轉換。測量的方案一定要遵循國標城市軌道交通工程測量規范[2]。

對隧道用水安慰激光掃描儀進行掃描，設置相應的分辨率和掃描間隔。例如隧道的直徑是5.2米時，掃描的間隔距離最好是15米，掃描分辨率設為1/4。另外，可在每兩個掃描儀之間擺設多個不共線的靶球，這樣掃描儀在掃描的過程中也能夠將這些靶球的數據掃描下來，在后續數據分析中進行數據拼接，利于坐標的分析。

當掃描完成后可以采集到點云數據，同時將掃描到的多個靶球點云數據用專業的點云數據處理軟件進行拼接，這樣就保證了點云數據的精確性。此時，處理后的點云數據為相對坐標，提取兩個以上的大靶球中心點坐標對，用數據處理軟件進行計算處理，得到點云坐標系到大地坐標系的轉換參數，這樣就能夠將點云坐標轉換為大地坐標，點云數據的預處理也得到完成。

4 對隧道限界檢測后的分析

隧道限界測量的分析在不同的應用中有著不同的分析要求。在用隧道限界檢測軟件對隧道橫面數據提取時，可以提取相應的特征數據。如提取橫面上八等分的特征點數據，即左上點、左中點、左下點、右上點、右中點、右下點、頂板底標高和地板頂標高。

根據相關資料，截面控制的基礎是隧道中心線，中心線的數據精度十分重要，會對后期分析點云數據時產生直接影響。首先，要獲得隧道中心線基礎數據，及隧道的平曲線和豎曲線數據。平曲線指直線轉彎處相連的曲線；豎曲線指在縱斷面上鏈接相鄰兩條縱坡線香蕉轉折處的曲線。其次，通過隧道限界處理軟件對平曲線和豎曲線進行解讀，分析并計算出相關參數，最后得到精確的隧道中心曲線線路視圖[3]。

當得到隧道中心線后，可用隧道限界處理軟件對店面控制點進行設置，以應對不同的項目分析需求。進一步生產隧道中心線數據，能夠對截面位置進行設置。根據實際需求，可以對點云界面裁切厚度、里程范圍、隧道屬性等進行設置。

當軟件對數據進行處理分析完成后，還可對分析結果輸出成專業的表格，其中包含坐標、位置、里程、線路中心線距離、頂板底標高、底板頂標高等。另外，還可根據輸出的表格數據，直觀地統計出左側寬度差、右側寬度差、總寬度差以及誤差的差值等。

5 結束語

隧道的限界測定對運行安全有著重要的意義，如何能夠更精準有效地測量雖小限界，這給隧道的檢測、監測、維護管理都帶來了可靠的檢測分析手段。而激光掃描點云測定技術的實行，能夠通過地面三維激光掃描儀，結合相應的激光點云處理軟件和隧道限界分析處理軟件，對掃描得到的三維點云數據進行分析計算，生成隧道中心線和斷面分析，甚至可以生產附帶各種數據的表格。如果能夠將這項技術應用到后續的隧道模型構建和隧道挖掘等實際工作中，將會給交通建設帶來更大的福利。

參考文獻

[1] 滕志遠.大數據量機載激光點云快速瀏覽技術研究[D].北京:首都師范大學,2011.

[2] GB50308-2008.城市軌道交通工程測量規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[3] 秦至紅,寧升安,龍兆春.BJSD-2型激光限界檢測儀在隧道施工檢測中的應用[J].鐵道勘察,2002,28(3):43-44.