三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂變形監測中的應用

(上饒市天恒測繪工程有限公司 江西 上饒 334000)

引言

三維激光掃描技術Three-Dimensional Laser Scan Technology，又稱“實景復制技術”。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。可以快速、大量的采集空間點位信息，快速建立物體的三維影像模型。三維激光掃描技術具有快捷、高分辨率、高精度等特點，在開采沉陷監測中有利于對地表的移動進行觀測，能夠快速獲得整個目標區域的空間位置及垂直相對位置的變化從而確定整個地表移動區域的下沉情況。例如2007年李長征在山西陽城某隧道中，研究三維激光掃描技術在隧道橫斷面監測、隧道土石方量測量等方面的應用；簡曉[1]等人研究出基于三次多項式插值曲面擬合隧道整體變形監測方法，通過對比多個擬合曲面之間的高程，獲取地鐵隧道頂部大型建筑對其產生的影響情況；李建[2]等人通過構建地鐵隧道模型，對地鐵隧道整體進行變形監測，對比光纖位移計算結果，變形監測精度滿足地鐵隧道變形的需要。在前人的研究基礎上，進一步研究三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂變形監測的應用，為以后地鐵隧道建模研究以及三維激光掃描方法研究提供一定的技術支撐。

一、三維激光掃描技術工作原理及數據處理流程

(一)三維激光掃描技術工作原理。掃描儀對目標發射激光，根據激光發射和接收的時間差原理，得到一個被測點與掃描儀的距離量測值?；诰嚯x量測值、掃描儀垂直和水平兩個方向的步進角度值進行計算，計算出被測點上的X、Y、Z的相對三維坐標。帶有三維坐標值的點依據空間坐標排列，形成目標空間點云數據。點云數據很好的揭示目標形體和目標空間結構。按測量方式，三維激光掃描儀可分為基于脈沖式、基于相位差、基于三角測距原理。目前三維激光掃描儀主要工作方式為脈沖激光測距的方法，即地面型三維激光掃描技術，其測量原理可分為測距、測角、掃描、定向四個方面。

(二)數據處理流程。如何將三維點云轉化成二維線畫圖是點云的處理和應用的關鍵。三維點云轉化成二維線畫圖主要有一下幾種方法：一是直接量測點云模型上的相關數據，按照傳統測繪的方法繪制成圖；二是截取點云的一部分形成點云“切片”，然后將“切片”導入相關軟件經擬合后形成二維線畫圖；三是對建筑的某個面域制作相對于該面的正射投影“點云”圖，對正射投影圖匹配照片顏色信息后導入其他處理軟件后進行“描摹”成二維線畫圖。點云數據處理的主要過程包括點云數據預處理、點云數據匹配拼接、實體模建立等步驟。

1)點云數據預處理：對獲取的原始數據進行再加工，檢查數據的完整性及數據的一致性，進行數據格式的規范化，進行點云過濾等操作。點云過濾是數據預處理不可或缺的一部分，對數據質量具有重要影響。

2)點云數據匹配拼接：兩幅掃描圖像拼接的前提條件是，兩幅掃描圖像中應有重合的部分，重合部分約占整個圖像的百分之二十至百分之三十。重合部分所占比例太小，很難保證拼接精度，所占比例太大，則增加掃描次數和拼接工作量。

3)建模：根據三維模型表示方式不同，點云數據模型重建主要有兩種方式:一是三維點云數據表面模型重建，主要構造網格(三角面片)逼近掃描物體表面；一是幾何模型重建，利用幾何體如點、線、面、柱體、四面體等對物體進行擬合，常用于CAD中的輪廓模型或者斷面輪廓。

二、結論與分析

(一)三維激光掃描技術應用?；谏鲜鼋７椒ǎ瑢λ淼腊霃皆O計值半徑2.75m的某地鐵隧道進行建模。以下是建模過程：

1)數學模型的建立：

(Xi-X0)2+(Yi-Y0)2-R2=0

2)設平差后的圓心坐標(Xc，Yc)和圓半徑R為：

Xc=X0-δx，Yc=Y0-δy，R=R0-δR

3)設圓半徑的觀測值和改正值與近似值的關系為：

Ri+VRi=R0+δR

4)得到平差計算的觀測值方程：

Aδx+Cδy+E=0Cδx+Bδy+F=0 其中：

A=[aa]，B=[bb]，C=[cc]，E=[al]，F=[bl]，D=AB-C2

如下圖所示的半徑變化曲線圖，可知地鐵隧道收斂變形情況。隧道半徑基本在2.75左右浮動，掃描精度最高可達2mm。

三、結論

本文在三維激光掃描技術的基礎上，研究其在地鐵收斂變形監測中的應用。通過研究分析點云數據預處理，數據拼接過程，得出三維模型。研究表明地鐵隧道收斂變形情況不大，監測變形精度大，最大可達2mm，三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂變形監測中的應用完全可行。