劉妍¹,孫海麗²

(1.自然資源部第一航測(cè)遙感院，陜西西安710054；2.首都師范大學(xué),北京100048)

摘要:無(wú)控制方式的移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)能獲得高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能對(duì)隧道及周邊實(shí)現(xiàn)全覆蓋移動(dòng)掃描，在露天或隧道內(nèi)都可以正常使用，相比集成慣導(dǎo)的移動(dòng)軌道掃描系統(tǒng)，大大降低了成本，提升了外業(yè)檢測(cè)效率。采用移動(dòng)隧道檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)天津地鐵某區(qū)間進(jìn)行安全檢測(cè)，通過(guò)獲取隧道全息全斷面數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、斷面變形解算(全斷面變形分析和收斂直徑計(jì)算)、病害提取，生成隧道內(nèi)壁和軌道影像、漫游視頻，用于對(duì)隧道斷面、限界、病害等信息進(jìn)行全方位的分析，生成多種格式成果，為移動(dòng)激光掃描技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞:隧道安全檢測(cè)；移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；正射影像

　　1.引言

　　隧道幾何結(jié)構(gòu)安全狀況直接影響隧道的使用性能，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與維護(hù)整治尤為重要。由于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間天窗時(shí)間短，隧道檢測(cè)效率、檢測(cè)數(shù)據(jù)處理精度及有效性都將影響軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)，只有提高和長(zhǎng)久保持隧道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對(duì)隧道及時(shí)進(jìn)行變形檢查和維護(hù)，才能滿足列車快速、平穩(wěn)、舒適、安全的運(yùn)輸要求。

　　目前，隧道變形監(jiān)測(cè)主要采用全站儀或三維激光掃描測(cè)量。基于全站儀的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)方法，精度可靠，在實(shí)際工程中的應(yīng)用仍然比較廣泛。全站儀自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)測(cè)量通過(guò)全站儀測(cè)量隧道環(huán)片標(biāo)志點(diǎn)，或采用無(wú)棱鏡反射方式測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化測(cè)量，監(jiān)測(cè)精度雖然較高，但效率較低，成本較高，而且測(cè)量點(diǎn)位密度較稀疏，只能選擇部分?jǐn)嗝孢M(jìn)行檢測(cè)，不便于進(jìn)行全斷面變形檢測(cè)。

　　三維激光掃描測(cè)量因其獲取數(shù)據(jù)速度快、點(diǎn)密度大精度高、使用簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，將成為隧道檢測(cè)的主要技術(shù)手段。

　　Leica、Amberg、武漢漢寧軌道交通技術(shù)有限公司推出了移動(dòng)軌道掃描系統(tǒng)，集成了CNSS、IMU、激光掃描儀、里程計(jì)等傳感器，能對(duì)軌道及周邊實(shí)現(xiàn)全覆蓋移動(dòng)掃描，在露天或隧道內(nèi)都可以正常使用，并為竣工分析提供測(cè)繪級(jí)精度的三維點(diǎn)云，但要求外業(yè)掃描過(guò)程中要聯(lián)測(cè)控制點(diǎn)。首都師范大學(xué)研制的無(wú)控制方式的移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)，無(wú)需集成GNSS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，僅借助激光掃描儀在移動(dòng)軌道小車平臺(tái)上勻速運(yùn)行，便可獲得高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文利用無(wú)控制移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)在地鐵隧道進(jìn)行測(cè)試，介紹其作業(yè)流程、數(shù)據(jù)處理方法及其應(yīng)用。

　　2.無(wú)控制移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)

　　無(wú)控制方式的移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)，借助激光掃描儀在移動(dòng)軌道小車平臺(tái)上勻速運(yùn)行，獲得高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，檢測(cè)速度支持高達(dá)4.5 km/h的作業(yè)速度；支持輔助里程計(jì)、軌距測(cè)量?jī)x等傳感器，提高了相對(duì)定位精度；能對(duì)隧道及周邊實(shí)現(xiàn)全覆蓋移動(dòng)掃描，在露天或隧道內(nèi)都可以正常使用；能進(jìn)行斷面、限界檢測(cè)及正射影像生成，相比集成慣導(dǎo)的移動(dòng)軌道掃描系統(tǒng)，大大降低了成本；采用無(wú)控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)方式，提升了外業(yè)檢測(cè)效率。

　　移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)支持多種掃描儀，采用無(wú)控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)方式檢測(cè)隧道相對(duì)變形，不需考慮軌道和隧道的整體沉降、軌道平順性等變形特性，僅關(guān)注隧道空間結(jié)構(gòu)的相對(duì)變化，可進(jìn)行隧道的定期監(jiān)測(cè)、保護(hù)區(qū)施工監(jiān)測(cè)、成型隧道驗(yàn)收施工等，適用于隧道收斂檢測(cè)線路管理維護(hù)竣工分析、限界測(cè)量、凈空測(cè)量、病害檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。

無(wú)控制移動(dòng)隧道激光檢測(cè)系統(tǒng)配套的隧道激光點(diǎn)云采集與處理軟件是隧道激光掃描監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，主要有移動(dòng)點(diǎn)云采集、隧道數(shù)據(jù)處理與成果分發(fā)功能。利用移動(dòng)式三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可快速獲取隧道表面大量的點(diǎn)的三維坐標(biāo)和圖像灰度值等信息，對(duì)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與變形解算后，可以獲得被掃描隧道的收斂直徑、錯(cuò)臺(tái)變形、內(nèi)壁影像、漫游視頻等量測(cè)成果，生成測(cè)量報(bào)表、斷面CAD、病害報(bào)表等，為地鐵盾構(gòu)隧道施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)檢測(cè)提供完整解決方案。圖1為移動(dòng)隧道檢測(cè)作業(yè)流程。

圖1、移動(dòng)隧道檢測(cè)作業(yè)流程

數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云影像預(yù)覽、點(diǎn)云預(yù)處理、斷面收斂變形分析、錯(cuò)臺(tái)分析、凈空檢測(cè)、病害標(biāo)注、隧道高清影像生成與實(shí)景漫游構(gòu)建報(bào)表生成等工作內(nèi)容。

3.隧道安全狀態(tài)分析

　　本文以天津地鐵安全檢測(cè)項(xiàng)目為例，采用移動(dòng)隧道檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某一區(qū)間進(jìn)行工程化測(cè)試，通過(guò)獲取隧道全息全斷面數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、斷面變形解算(全斷面變形分析和收斂直徑計(jì)算)、錯(cuò)臺(tái)分析、病害提取、隧道內(nèi)壁和軌道影像生成漫游生成應(yīng)用，對(duì)隧道斷面、限界、病害等信息進(jìn)行全方位的分析。

　　運(yùn)營(yíng)地鐵隧道安全檢測(cè)的內(nèi)容主要包括隧道斷面檢測(cè)、限界檢測(cè)及滲漏水等病害檢測(cè)。在地鐵隧道位置、結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)檢測(cè)中，收斂和限界檢測(cè)尤為重要。盾構(gòu)隧道收斂變形檢測(cè)主要結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行穩(wěn)健估計(jì)橢圓擬合，獲得橢圓長(zhǎng)半軸、短半軸、水平直徑、橢圓度等信息。限界檢測(cè)可結(jié)合實(shí)測(cè)點(diǎn)云掃描得到的軌面點(diǎn)云進(jìn)行軌道面提取，解算軌面高程基準(zhǔn)，建立軌面坐標(biāo)系，并結(jié)合鐵路設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范提供的地鐵列車或設(shè)備限界數(shù)據(jù)進(jìn)行隧道斷面限界檢測(cè)以及接觸網(wǎng)導(dǎo)高和拉出值拱頂凈高的計(jì)算。

　　激光掃描數(shù)據(jù)具有“全覆蓋、密度高”的特點(diǎn)，為便于后續(xù)深入分析，掃描后提供的全斷面數(shù)據(jù)可導(dǎo)出成逐環(huán)全斷面dxf文件，例如，收斂直徑、環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)、凈空檢測(cè)以及環(huán)間錯(cuò)臺(tái)dxf成果文件，并標(biāo)注環(huán)片拼接塊的實(shí)際位置，方便查看和數(shù)據(jù)管理。

　　隧道激光掃描監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)的解算成果分為全斷面CAD圖及統(tǒng)計(jì)報(bào)表(Excel表格)，其中，統(tǒng)計(jì)報(bào)表主要包含整個(gè)數(shù)據(jù)的收斂直徑、錯(cuò)臺(tái)弧長(zhǎng)、平均錯(cuò)臺(tái)量等分析數(shù)據(jù)，可進(jìn)行進(jìn)一步分析應(yīng)用。

　　對(duì)隧道內(nèi)滲漏水發(fā)生的位置、分布及其面積等進(jìn)行定量量測(cè)，主要采用該系統(tǒng)的隧道內(nèi)壁影像功能。隧道現(xiàn)狀影像的主要特點(diǎn)為高頻次、高分辨率，相對(duì)于普通數(shù)碼像機(jī)照片，具有全覆蓋、精確量算和無(wú)需光照等優(yōu)勢(shì)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)的各項(xiàng)安全隱患，克服了人工巡檢的漏檢、非標(biāo)準(zhǔn)化、指標(biāo)隨意等缺點(diǎn)。本試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁影像圖局部放大如圖2所示，從圖中能夠看到，結(jié)合激光掃描生成的高清隧道影像質(zhì)量較高。

圖2、高清影像局部放大圖

　　為解決隧道掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和解算成果的可視化難題，避免人工建模所需的大量人力，可利用掃描點(diǎn)云的XY坐標(biāo)、里程、反射率信息以及檢測(cè)成果直接生成三維漫游場(chǎng)景，并以第一人稱生成漫游視頻，將隧道現(xiàn)狀、環(huán)號(hào)-里程、直徑變形、錯(cuò)臺(tái)、附屬設(shè)施等關(guān)鍵信息融合到視顏中，相關(guān)人員可更全面地查看監(jiān)控量測(cè)成果。

　　地鐵隧道中最常見(jiàn)的病害是滲漏水，常規(guī)的滲漏水檢測(cè)以人工拍攝巡檢方式為主，數(shù)據(jù)成果量化、保存與共享比較困難。基于移動(dòng)激光掃描方式獲取隧道壁高精度、高密度的三維點(diǎn)云坐標(biāo)信息及激光反射信號(hào)的強(qiáng)度信息，結(jié)合強(qiáng)度信息可對(duì)掃描目標(biāo)的結(jié)構(gòu).材質(zhì)、含水量等信息進(jìn)行提取和反演，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別。如圖3所示，結(jié)合移動(dòng)激光掃描獲取的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的正射膨像強(qiáng)度圖能給出滲漏水的兒何信息，如滲漏水的面積，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法獲取單一。幾何數(shù)據(jù)的缺陷，便于病害成果的幾何量測(cè)與數(shù)據(jù)管理。

圖3、隧道滲漏面積計(jì)算

4.結(jié)束語(yǔ)

　　結(jié)合移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行隧道安全狀態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)速度可支持最高4.5km/h的作業(yè)速度，能提高作業(yè)效率，提供全斷面、收斂直徑、環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)、環(huán)間錯(cuò)臺(tái)等變形檢測(cè)成果表和CAD圖，并進(jìn)行表觀膨像的初步識(shí)別和判讀，制作隧道實(shí)景漫游視額。

　　移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)可采用無(wú)控制方式，對(duì)隧道進(jìn)行移動(dòng)式激光檢測(cè)，適用于隧道結(jié)構(gòu)相對(duì)變化檢測(cè)，但對(duì)于一些絕對(duì)測(cè)量場(chǎng)最(如沉降監(jiān)測(cè)、軌道平順性檢測(cè))，則需要增加慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并聯(lián)測(cè)控制點(diǎn)。

　　實(shí)踐結(jié)果表明，無(wú)控制方式的移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)可開(kāi)展隧道結(jié)構(gòu)病害的快速檢測(cè)，在采集范圍、影像分排率及采集效率方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)激光掃措可獲取隧道內(nèi)壁高分辨率影像和漫游視頻，便于相關(guān)專業(yè)人員直觀清楚地了解隧道內(nèi)壁的附屬設(shè)施和病害現(xiàn)狀，還可為后期的隧道綜合調(diào)度指揮和結(jié)構(gòu)病害分級(jí)跟蹤管理提供工作底圖，也可為后續(xù)線路的BIM信息化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。建議在隧道竣工驗(yàn)收測(cè)量、監(jiān)護(hù)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)調(diào)查、長(zhǎng)期收斂測(cè)量以及應(yīng)急搶險(xiǎn)等特殊工況條件下的快速普查等項(xiàng)目中，開(kāi)展無(wú)控制方式的移動(dòng)激光隧道檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：（略）