快速移動(dòng)掃描系統(tǒng)在隧道結(jié)構(gòu)普查中的應(yīng)用

周 帆

(上海勘察設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200438)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市發(fā)展規(guī)模由小變大，城市建設(shè)項(xiàng)目增多，為了響應(yīng)國(guó)家低碳型城市，各大城市均開展規(guī)劃了多條地鐵和輕軌，城市地鐵是城市交通的生命線，是便民的交通，滿足了大家出行的需求。中國(guó)地鐵建造速度如雨后春筍一般，開通運(yùn)營(yíng)的地鐵里程逐年增加，公眾對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施的形變治理越來越關(guān)注。基于施工隊(duì)伍在盾構(gòu)的施工過程中，因?yàn)槎軜?gòu)環(huán)片被外界擾動(dòng)、外部水土的損失和隧道結(jié)構(gòu)本身的沉降等原因，所以大概率給水土層造成流失和變形，從而影響地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全，地鐵盾構(gòu)環(huán)片的結(jié)構(gòu)變形是地鐵運(yùn)營(yíng)行車安全的一個(gè)重要考慮因素，同時(shí)也會(huì)給地鐵隧道帶來環(huán)片錯(cuò)臺(tái)、結(jié)構(gòu)的滲漏水、混凝土道床的剝離、隧道內(nèi)附屬設(shè)備的損害、混凝土環(huán)片的掉塊損傷，這一系統(tǒng)的病害會(huì)給業(yè)主帶來一系列的問題，比如：隧道維修成本變高、隧道環(huán)片的永久性損傷等。可視化、快速化、準(zhǔn)確化的監(jiān)測(cè)地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的變形及病害的精準(zhǔn)狀況，提出有效的工程治理方法，讓業(yè)主更好的對(duì)隧道結(jié)構(gòu)維護(hù)保養(yǎng)，是保障地鐵安全運(yùn)營(yíng)的重要需求[1-3]。

目前地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施的普查主要依靠人工測(cè)量和人工巡查，既耗時(shí)又耗力，而且巡查不到位，容易造成安全隱患。由于地鐵白天運(yùn)營(yíng)，僅有晚上停運(yùn)的時(shí)間可以進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施的巡查測(cè)量，晚上檢測(cè)的時(shí)間窗口期非常短，可作業(yè)時(shí)間短，因此傳統(tǒng)的人工普查難以滿足地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施實(shí)際運(yùn)營(yíng)普查的要求。

本文闡述了快速移動(dòng)三維掃描測(cè)量系統(tǒng)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施普查中的應(yīng)用，通過快速移動(dòng)三維掃描測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)，集成高精度三維激光掃描儀、高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)、多個(gè)測(cè)量傳感器、電控模塊以及高清CCD相機(jī)，快速獲取地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施普查的信息，通過云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)成果實(shí)時(shí)分析。該方法突破了傳統(tǒng)測(cè)量的基本流程，采集的數(shù)據(jù)可以結(jié)合我院自主研發(fā)軟件完成隧道水平收斂、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施病害分析、侵界分析、管片兩端及關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的絕對(duì)坐標(biāo)值等調(diào)查成果，滿足地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施普查的需求。

1 快速移動(dòng)三維掃描測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)處理

地鐵隧道的三維激光和視覺相機(jī)的移動(dòng)掃描數(shù)據(jù)采集，采用自主開發(fā)的集成慣導(dǎo)儀器、小車的里程計(jì)、進(jìn)口的掃描儀、高清的CCD相機(jī)等儀器設(shè)備，嚴(yán)控時(shí)間同步，把集成設(shè)備放置在具有自動(dòng)力的移動(dòng)掃描勻速的小車上對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速移動(dòng)三維掃描。同時(shí)測(cè)量隧道內(nèi)已知的CPⅢ控制點(diǎn)，將已知的CPⅢ控制點(diǎn)三維坐標(biāo)輸入，建立成快速移動(dòng)掃描坐標(biāo)系至地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，完成隧道內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

地鐵隧道的快速移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)主要是由硬件的系統(tǒng)和軟件的系統(tǒng)組成，這其中硬件的系統(tǒng)主要是移動(dòng)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，含括了移動(dòng)掃描的軌道小車、進(jìn)口三維掃描儀、CCD高清的影像采集模塊和慣導(dǎo)系統(tǒng)。這款使用的一體化軟件系統(tǒng)是根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)定位原理及多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行自主研發(fā)的[4]。

1.1 快速移動(dòng)三維掃描測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)采集

快速移動(dòng)的掃描測(cè)量屬于非接觸測(cè)量，由儀器發(fā)出信號(hào)，打到隧道內(nèi)壁上，信號(hào)返回接收，在軌道小車移動(dòng)的測(cè)量過程中盡量減少掃描區(qū)域站人，防止實(shí)物遮擋的現(xiàn)象，從而影響掃描數(shù)據(jù)的外業(yè)采集質(zhì)量。一般測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，慣性測(cè)量單元的誤差累積越大，所以需在隧道內(nèi)布設(shè)若干靶標(biāo)，用于校正點(diǎn)云數(shù)據(jù)。靶標(biāo)通過高精度的全站儀采集其三維的絕對(duì)坐標(biāo)，與已知的CPⅢ控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，一般50 m～100 m布設(shè)一對(duì)，同于后期解算隧道內(nèi)各種設(shè)施設(shè)備的三維坐標(biāo)，為業(yè)主治理隧道提供準(zhǔn)確的定位。

1)快速的移動(dòng)三維掃描技術(shù)是一種有效的測(cè)量技術(shù)，采用快速的移動(dòng)掃描車技術(shù)對(duì)隧道環(huán)片進(jìn)行掃描拍照，對(duì)掃描拍照獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模和計(jì)算，每次的外業(yè)掃描可以得到隧道的軸線、全斷面環(huán)片影像、隧道收斂、內(nèi)壁的激光反射率影像等一系列成果，掃描測(cè)量系統(tǒng)最大的檢測(cè)速度為4.5 km/h、變形測(cè)量的精度為±2 mm，掃描的影像分辨率最高達(dá)2 mm。

2)CCD高清全景相機(jī)采集的全隧道高清圖片通過自研發(fā)軟件制作高分正射影像數(shù)據(jù)，從而分辨出0.3 mm及以上的裂縫，以及識(shí)別隧道裂縫、掉塊、滲水等病害。

3)三維激光掃描儀與慣導(dǎo)設(shè)備同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可將三維激光掃描儀與慣導(dǎo)設(shè)備納入到同一坐標(biāo)系中。利用采集到的掃描系統(tǒng)在慣性參考系中的各種參數(shù)，與三維激光掃描儀掃描的隧道內(nèi)CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合解算，從而得到管片兩端及關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的絕對(duì)坐標(biāo)值。

在現(xiàn)有的移動(dòng)掃描小車的基礎(chǔ)上，通過引入慣性測(cè)量單元(IMU)，融合掃描小車采集的隧道里程、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、環(huán)號(hào)的信息以及靶標(biāo)的三維坐標(biāo)，解決了快速移動(dòng)三維掃描技術(shù)在地鐵隧道難以獲取點(diǎn)云真實(shí)三維坐標(biāo)的難題。

此外，在移動(dòng)掃描小車上加裝由9個(gè)CCD相機(jī)及嵌入式工控機(jī)組成的高清影像掃描模塊，在三維激光掃描的過程中同步獲取隧道高清影像，不僅可以解決病害標(biāo)注及裂縫識(shí)別對(duì)影像較高分辨率的需求，同時(shí)可利用工控機(jī)對(duì)掃描儀、CCD相機(jī)及慣性測(cè)量單元進(jìn)行一體化控制，保證了采樣數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上的同步性，更方便于數(shù)據(jù)的處理。

快速移動(dòng)三維掃描測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集操作圖如圖1所示。

1.2 移動(dòng)三維掃描數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

1)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程。2)CCD高分影像數(shù)據(jù)處理流程。CCD相機(jī)集成設(shè)備由9個(gè)鏡頭組成，因此采集的原始數(shù)據(jù)的一張張獨(dú)立的照片，相互之間并無關(guān)聯(lián)，冗余度也非常大，并且原始采集的圖像質(zhì)量一般，圖像中光照不均勻，對(duì)比度較低。因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理及圖像拼接。3)三維點(diǎn)云絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算。掃描系統(tǒng)是由各種硬件的系統(tǒng)組成，由于每個(gè)都有各自的坐標(biāo)系統(tǒng)，所以在數(shù)據(jù)處理的時(shí)候定位系統(tǒng)需要進(jìn)行一定的中間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化工作，最后都轉(zhuǎn)化到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)里面去。慣性導(dǎo)航坐標(biāo)系到隧道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換通過在現(xiàn)場(chǎng)隧道管片上布設(shè)控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成。具體轉(zhuǎn)換方式同激光雷達(dá)三維坐標(biāo)系到慣性導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，包含旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)。通過將最原始的極坐標(biāo)系激光掃描二維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到三維坐標(biāo)，結(jié)合慣導(dǎo)導(dǎo)航坐標(biāo)系，加上軌道車參考坐標(biāo)系，輸入隧道現(xiàn)場(chǎng)CPⅡ～CPⅢ控制點(diǎn)所在的南京市2000坐標(biāo)系及1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的成果數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維點(diǎn)云絕對(duì)坐標(biāo)的計(jì)算。把移動(dòng)掃描的數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)導(dǎo)航的成果融合處理后，得到地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的整體三維點(diǎn)云成果圖，如圖2所示。

2 應(yīng)用案例

2.1 項(xiàng)目概況

本次結(jié)構(gòu)設(shè)施普查的項(xiàng)目位于南京地鐵某線路某區(qū)間地鐵隧道，單區(qū)間長(zhǎng)1 044 m，共計(jì)870環(huán)盾構(gòu)環(huán)片，環(huán)片設(shè)計(jì)內(nèi)徑為5.9 m。對(duì)該盾構(gòu)區(qū)間隧道采用快速移動(dòng)三維掃描測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)結(jié)合我院自主研發(fā)軟件完成了隧道水平收斂、錯(cuò)臺(tái)分析、裂縫分析、結(jié)構(gòu)掉塊損傷及滲漏、侵界分析、道床剝離分析、管片兩端及關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的絕對(duì)坐標(biāo)值等調(diào)查成果。僅用1 h便完成了該區(qū)間全部數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)成果利用云端處理，成果可靠，精度滿足要求[5]。

2.2 應(yīng)用成果分析

1)隧道直徑收斂分析。掃描范圍為0環(huán)～870環(huán)，包含11環(huán)鋼環(huán)加固環(huán)，鋼環(huán)加固環(huán)則同時(shí)提取同一斷面鋼環(huán)收斂數(shù)據(jù)與混凝土管片收斂2 組數(shù)據(jù)。本區(qū)間混凝土管片水平最大值為5.967 3 m，位于第734環(huán)，與設(shè)計(jì)值相差0.067 3 m，最小值為5.885 3 m，位于第869環(huán)，與設(shè)計(jì)值相差-0.014 7 m，整個(gè)區(qū)間水平直徑統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

2)環(huán)片錯(cuò)臺(tái)分析。環(huán)間錯(cuò)臺(tái)指的是兩相鄰環(huán)的管片在垂直于隧道軸線方向產(chǎn)生位置的錯(cuò)開。通過對(duì)盾構(gòu)隧道縱向接縫的識(shí)別，在環(huán)縫兩側(cè)固定間距提取斷面點(diǎn)云切片進(jìn)行環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量的解算。

以錯(cuò)臺(tái)角度表示錯(cuò)臺(tái)位置對(duì)應(yīng)的角度值，頂部為0°，按照順時(shí)針方向增大，每環(huán)輸出最大錯(cuò)臺(tái)量及其對(duì)應(yīng)角度值。掃描檢測(cè)結(jié)果顯示，該區(qū)間上行線相鄰兩環(huán)的錯(cuò)臺(tái)量最大值為18.9 mm，其中絕對(duì)值大于10 mm的共有168處，10 mm～15 mm的有156處，15 mm～20 mm的有12處；該區(qū)間下行線相鄰兩環(huán)的錯(cuò)臺(tái)量最大值21.7 mm，其中絕對(duì)值大于10 mm的共有111處，10 mm～15 mm的有96處，15 mm～20 mm的有10處，大于20 mm的有5處。錯(cuò)臺(tái)分析和提取見圖4,圖5。

3)CCD高清影像生成。原始采集的圖像質(zhì)量一般，圖像中光照不均勻，對(duì)比度較低，可能會(huì)混淆裂縫區(qū)域與背景區(qū)域。因此需要通過圖像預(yù)處理算法來改善圖像質(zhì)量，提高裂縫的對(duì)比度，使裂縫信息更清晰明顯。經(jīng)過勻光算法、閾值分割法、SURF算法圖像拼接，特征點(diǎn)匹配，將第一幅圖像的特征點(diǎn)為訓(xùn)練集，第二幅圖像的特征點(diǎn)為查詢集，獲取歐氏距離，最后進(jìn)行圖像拼接形成一張照片，采用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)采集的視覺相機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可生成隧道高分辨率的正射影像圖，如圖6所示。

4)隧道結(jié)構(gòu)裂縫、掉塊損傷、滲漏普查。基于高分辨影像對(duì)隧道病害進(jìn)行識(shí)別，隧道環(huán)片的掉塊、裂縫的病害信息能清晰地在灰度影像中判讀，這些信息可反映隧道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的表觀現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)掉塊損傷和滲漏情況，如圖7所示。

5)隧道影像專題圖。隧道內(nèi)壁影像專題圖反映隧道內(nèi)實(shí)際信息，結(jié)果隧道環(huán)號(hào)、里程、直徑、病害及附屬設(shè)施等可人工制作專題圖為隧道巡檢工作帶來裨益，見圖8。

通過對(duì)該區(qū)間的快速三維激光掃描測(cè)量普查，可以得到該區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施的水平直徑收斂、錯(cuò)臺(tái)分析、隧道內(nèi)壁影像、隧道結(jié)構(gòu)裂縫、掉塊損傷、滲漏普查、隧道影像專題圖等相關(guān)成果，滿足地鐵公司業(yè)主對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施普查的要求。

3 結(jié)語

利用快速移動(dòng)三維掃描測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)快速高效的完成了地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施的狀態(tài)普查，普查成果滿足要求，可以準(zhǔn)確的得到隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施的水平收斂值、環(huán)片錯(cuò)臺(tái)情況、隧道內(nèi)壁影像、隧道結(jié)構(gòu)裂縫、掉塊損傷、滲漏普查、隧道影像專題圖等，成果可靠豐富。該方法具有作業(yè)效率高、成果可靠、產(chǎn)品豐富的特點(diǎn)，可以作為今后的主要普查測(cè)量方法[6]。隨著地鐵運(yùn)營(yíng)隧道附近的城市建設(shè)項(xiàng)目越來越多，交叉施工越來越復(fù)雜，施工對(duì)隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)有擾動(dòng)，會(huì)加速隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的變形，定期采用快速移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)技術(shù)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施進(jìn)行可視化的普查，更好的掌握結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，利用掃描高清影像和精準(zhǔn)的絕對(duì)定位技術(shù)，為業(yè)主提供全方位精確的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的情況，為日常隧道應(yīng)急搶險(xiǎn)工作提供有效詳實(shí)的基礎(chǔ)信息，為地鐵平時(shí)安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航[7-10]。