基于三維激光掃描的鐵路隧道凈空斷面測量

周世明

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

目前,受施工環境的影響,隧道測量主要使用全站 儀進行,測量人員需要在昏暗、密閉、潮濕的環境中長時間作業,存在勞動條件差、工作時間長、費用高等缺點,已經不能適應當前鐵路工程建設要求,如何快速測繪隧道凈空斷面是測量工程師必須面對的問題。已有許多學者開展了相關研究,楊赫提出基于CCD圖像采集和處理的高速鐵路隧道限界檢測方案[1];許學良等提出一種移動三維激光掃描方案,并用于隧道變形監測[2]。然而,對施工階段的隧道限界檢測及貫通誤差的調整研究相對較少,故進一步開展該方面的技術方案研究很有必要。

1 三維激光掃描技術

三維激光掃描作為一種非接觸式主動測量技術,可實現三維空間數據的高密度、大面積采集,在隧道變形、邊坡檢測、高精度DTM構建等工程領域都有成功應用。為實現隧道內部表面的全面、快速測量,并根據需要提取隧道凈空斷面[3],提出一種基于點云數據的隧道凈空斷面提取方法,并開發相應軟件系統,力求解決隧道凈空斷面的快速高精度測量問題。

基于三維激光掃描的鐵路凈空斷面測量包括設備選取、資料準備、標靶布設、掃描站點選擇、數據采集、測站數據拼接、點云配準、數據坐標轉換、數據抽稀等步驟,根據需要提取指定斷面[4]。完成凈空斷面測量的兩個關鍵為如何獲取位置正確的拼接點云,以及如何從點云中快速準確提取所需隧道凈空斷面。以下通過工程實例進行詳細介紹。

改建鐵路重慶至貴陽擴能改造工程,設計目標速度值為200km/h,區間設計線間距為4.4m。某鐵路雙線隧道全長約4.7km,在施工貫通復測時,發現該隧道的貫通誤差為600mm左右,根據相關施工技術規程要求其允許誤差≤130mm,該隧道貫通誤差不滿足設計要求[5]。經評估,需在貫通點附近200m范圍內將對隧道的襯砌拆除重建。為避免隧道襯砌拆除或減少拆除重建長度,需獲取該隧道的海量測量數據,進行質量評價及中線線位調整。根據測量方案,在進行該隧道的檢測時需測量約900余個斷面,若采用常規全站儀進行測量工作,需要近1個月才能完成測量任務。由于該項目處于全線鋪軌階段,工期短、施工干擾大,決定采用三維激光掃方法進行該隧道凈空斷面測量工作。

2 準備資料

2.1 設計資料

(1)在開展工作前,收集該隧道的既有測量控制網資料,包括控制點是否保留完好,控制網等級、平面坐標系統、高程系統等。

(2)收集并熟悉隧道的設計施工圖資料,包括線路平面、縱斷面資料,隧道建筑限界和輪廓圖等。根據項目設計技術標準,隧道限界采用KH-200建筑限界,其標準設計斷面見圖1。

圖1 隧道設計輪廓線及建筑限界(單位:cm)

(3)以左線為設計依據,對各特征點位對應左線線路中心線的高差和偏距值進行計算,確定隧道凈空斷面特征點相應設計數據[6],其標準設計限界高差及偏距見表1。

表1 標準設計限界高差及偏距 mm

2.2 標靶控制網

在開展掃描測量工作前,需在隧道內布設若干標靶,標靶均布設于每站掃描范圍的兩端。

由于本項目隧道已經施工進入鋪軌階段,隧道中線兩側已建成CPⅢ軌道控制網,在掃描測量時將CPⅢ軌道控制點作為標靶點,不再單獨設置其他的標靶點。

3 獲取精確點云

3.1 儀器選擇

主要考慮測距范圍、測距精度、激光發射頻率、角度分辨率及抗干擾能力等參數,以及儀器配套軟件的易用程度等。

3.2 外業測量

(1)標靶布設

利用隧道既有的CPⅢ測量控制網,將測量標靶占標置于CPⅢ控制點上,在掃描測量及點云數據處理時保證CPⅢ控制點的分布滿足測量和拼接要求。

(2)掃描站點選擇

為保障相鄰測站數據拼接與坐標轉換,兩個測站間需保證至少有2個公共標靶,且標靶置于已有控制點上,并盡量以少測站數覆蓋掃描區域。

在確定掃描站點間距時,首先,考慮陰暗的作業環境,設定儀器對8%反射率物體的測量距離為上限,再根據掃描儀高度、隧道凈空斷面以及隧道中線曲線半徑,確定掃描光束不被遮擋的距離,再取兩者下限;其次,考慮控制點布設情況,如果控制點不滿足要求,則考慮加密控制點[7]。

(3)數據采集

標靶掃描時,將三維激光掃描儀架設在預定位置后,首先,對測站前后的兩對標靶點進行掃描,以確定標靶在該測站坐標系統中的位置[8];標靶掃描完成之后,再開始對整個隧道掃描,掃描儀器的分辨率為6mm。

(4)注意事項

實際工作場景中,會出現一些特殊情況影響數據采集效果,應針對實際情況進行分析,并進行補充測量,以免影響數據的正確性和準確度。如隧道兩側堆放有水泥蓋板等雜物,影響采集斷面的形狀;隧道中心水溝被道砟所覆蓋,隧道凈空斷面不能反映中心水溝位置;接觸網桿在隧道凈空斷面中未能顯示等。

3.3 數據內業處理

(1)相鄰測站數據拼接

三維激光掃描儀工作時,各個測站分別建立相對獨立的三維坐標系統(SOCS),由于這些數據是離散的點云數據,在多個測站的三維掃描測量中,對不同測站掃描點云數據需要進行三維坐標的轉換,并通過旋轉及平移矩陣參數使相鄰測站數據拼接并使所有數據融入在統一的三維坐標系統中[9]。

完成拼接后,對拼接精度進行統計分析,查看每個標靶的三維坐標值殘差,并統計殘差的最大、最小值,計算平面誤差、高程誤差的中誤差,據此判定掃描及拼接精度是否滿足隧道凈空斷面測量的精度要求,多測站三維點云數據拼接成果見圖2。

圖2 多測站三維點云數據拼接成果

(2)點云配準

在三維掃描測量中,存在儀器設備系統誤差、周圍環境條件(如粉塵)、測站點平面高程精度等因素的影響,將產生一定的掃描測量誤差,多測站數據拼接后,相鄰標靶拼接的兩站點云數據有一定的誤差,搭接公共部分必然會存在一定的偏差。此時,在點云數據處理時,需要對各測站掃描數據拼接和相鄰兩測站點云數據進行點云精確配準。

(3)坐標系轉換

三維激光掃描儀在獲取點云數據之后,由于其坐標系統是獨立的自由坐標系統,而不是大地坐標系或獨立工程坐標系,故需將掃描儀器自帶的掃描坐標系統轉換為項目所需要的獨立工程坐標系,才能在實際工程中應用。由于標靶直接安置于控制點上,標靶中心坐標是隧道所處獨立工程坐標系的坐標,根據標靶自由坐標與獨立工程坐標系對應關系,可推導出自由坐標系統轉換至獨立工程坐標系統的轉換參數,利用所得參數,即可三維掃描坐標系統轉換成項目獨立工程坐標系統[10]。

坐標轉換時,導入控制點,進行多測站平差計算,計算完成后應先進行坐標精度分析,計算各標靶的坐標殘差,統計坐標轉換為平面中誤差、高程中誤差,再分析其是否滿足凈空斷面測量的精度要求。

(4)三維掃描數據抽稀與輸出

對不同測站掃描點云數據進行三維坐標的轉換完成后,形成的數據量非常巨大,點的密度高,在進行工程數據提取時若數據量太大,算計處理速度慢、效率低,在實際工作中點間距離滿足需要即可。因此,在保證工程精度的要求下對點云數據進行抽稀處理,最后將抽稀的數據輸出進行斷面采集工作。在本項目中,進行了多種點云的點間距離抽稀的測試,經統計,按照每5cm的間距抽稀,即可滿足測量要求[11]。

4 凈空斷面自動快速提取

商用三維激光掃描儀配套通用軟件一般包含數據導入導出、拼接、分割、去噪、測量、建模、模型編輯、動畫創作、等高線繪制等基本功能,但并不能滿足鐵路隧道凈空斷面的快速準確測量、快速質量評價的需要,項目開展前,組織技術人員進行算法研究,單獨開發相應的處理模塊。大體流程為:首先,對點云進行重組,以便快速檢索;然后,根據隧道中線獲得待提取斷面,利用該斷面方程對附近的點云切片;最后,對切片點云進行按方位分塊,構建TIN,在內插得到斷面線等。由此開發出“隧道點云數據處理及斷面提取軟件”。下面給出該軟件實現斷面提取的過程。

(1)數據分塊

盡管已經對隧道三維掃描數據進行抽稀處理,但數據量仍然比較大,該軟件仍然無法直接進行斷面采集工作,因此,須使用該軟件根據設計線位再將其按照1m間距進行分塊處理。

(2)斷面數據采集

點云數據分塊完成后,便可進行隧道凈空斷面的采集工作。數據采集時,完成點云切片、TIN構建、臨近點選擇的相關設置后,根據需要導入需要提取的斷面里程,或自行輸入斷面里程,即可完成相應里程的斷面提取[12],隧道凈空斷面軟件采集界面如圖3所示。

圖3 隧道凈空斷面采集界面

隧道凈空斷面采集時,以隧道參考設計左線中心線為依據,并在斷面圖上標出斷面里程、中心線位置和軌面高程。根據隧道凈空斷面表,貫通點處的橫向貫通誤差達628mm,超限值達到約500mm,通過對該隧道的三維掃描測量,對貫通點隧道凈空斷面數據提取分析,貫通誤差與實測值相吻合。

(3)隧道凈空斷面記錄表生成

采用 “隧道點云數據處理及斷面提取軟件”實現了“隧道凈空斷面記錄表自動生成”功能。并根據設計斷面輪廓尺寸數據以及與設計軌面高差、左線設計偏距、右線設計偏距等,布設測點斷面,自動生成隧道凈空斷面限界,隧道凈空斷面特征點記錄見表2。

表2 隧道凈空斷面特征點測量記錄

(4)建立鐵路隧道三維模型數據庫

在運營中,三維模型數據庫可以作為信息化管理的基礎數據,用于指導該隧道的變形監測、防災減災等工作[13]。

5 隧道凈空斷面數據應用

在該隧道段,曲線位于隧道中部,其曲線要素為:αy=32°26′,R=9000m,l0=70m;根據鐵路線路設計規范的要求,該隧道中線調整后,其曲線要素變更為:αy=32°26′,R=9003.5m,l0=70m,進一步檢查隧道凈空限界滿足鐵路隧道設計規范要求。通過隧道中線調整,消除了貫通誤差[14-15]。線路平面調線示意見圖4。

圖4 線路平面調線示意

采用三維激光掃描技術進行隧道凈空斷面測量及數據處理,中線調整工作,未引起對隧道襯砌的二次施工,確保了線路順利開通運營。

6 結論

(1)經測算,若采用傳統測量方法,需要近1個月才能完成隧道測量及中線調整工作,而采用三維激光掃描技術,僅用了十余天即完成了斷面數據采集、數據處理、隧道中線調整設計等工作,故采用三維激光掃描的方法,能有效提高工作效率。

(2)隨著鐵路信息化工作的不斷推進,鐵路隧道BIM應用的不斷普及,通過三維激光掃描獲取的隧道高精度點云數據建立鐵路隧道三維模型數據庫,可應用于鐵路隧道運營階段的隧道變形監測,提高鐵路隧道信息化管理水平。