利用点云构建隧道断面的形变监测方法

(陕西交建公路工程试验检测有限公司， 陕西 西安 710117)

利用点云构建隧道断面的形变监测方法

黄正涛

(陕西交建公路工程试验检测有限公司， 陕西 西安 710117)

本文通过对点云在不同坐标面的各项信息进行叠加分析，从而获得到隧道的整体形变情况。然后将利用点云构建隧道断面的形变监测方法同传统的监测方法进行比较，突出该方法的有效性以及对隧道的形变情况的直观表达的特点，以期为隧道断面的形变监测方法提供一定的借鉴。

点云数据；隧道断面；监测方法

引言

利用三维激光扫描技术所获得的隧道空间变形数据，具有实时、准确、全面的特点，可以有效的对隧道进行监控量测以及对施工进行变形分析和反分析，从而完善隧道施工风险预警机制，更好的指导信息化施工。利用点云构建隧道断面的形变，点云数据的准确度对监测的结果影响重大，需要进行重点关注。

一、利用点云构建隧道断面的形变监测方法概述

在隧道断面的形变监测中，水准仪、收敛计以及GPS等常规仪器虽然能够提供准确的观测数据，但也有一定的缺陷，就是对于布设在拱顶及侧壁上的检测点的数据无法取得，另外，由于采用传统仪器获得的数据比较离散和稀疏，因而很难对隧道的整体形变趋势做出及时有效的反映。针对此问题，在进行利用点云构建隧道断面的形变监测时，需要积极采用三维激光扫描方法来确保隧道断面的整体变化趋势进行有效的监测。本文对采用三维激光扫描技术所获得的隧道点云数据进行研究，并且对获得有效的隧道横断面方法进行详细的分析，确保进一步构建检测对象的空间表面模型的准确性，实现通过对隧道断面的数据进行分析，从而通过对比得出隧道断面的形变趋势及变化规律。

随着我国建筑工程的不断发展，利用三维激光扫描仪进行隧道的形变监测是一条必由之路，已经引起了行业的特别重视，各种有效的利用点云构建隧道断面的形变监测方法不断出现，针对其中各详细分支的研究也更为细致。例如为提升激光点云分割质量而对随机抽样进行改进的一致性算法；在进行滤波的同时还保持了地物细节特征的点云强度三维扩散滤波方程，以及针对多个曲面的高程进行对比而形成的三次多项式插值曲面拟合方法，绘制隧道纵横断面图等，都是对利用点云构建隧道断面的形变监测方法的有效支持。

二、基于曲线拟合的隧道断面提取方法

（一）点云数据的提取

点云数据根据不同的测量原理，一般分为根据激光测量原理得到的点云和根据摄影测量原理得到的点云，二者都包含必要的三维坐标，区别在于前者需要对激光反射强度进行分析，后者是对颜色信息进行分析。并且根据点数量以及点与点之间的间距区分为稀疏点云和密集点云。隧道工程一般都是一种狭长的结构，有着严格的施工安全步距，采用三维激光扫面议进行点云扫描，受扫描距离的影响是很大的，通常为获取充足的点云数据，确保隧道工程的安全性，监测站所进行监测的点云数据通常都是将范围控制在几十米，尽可能的降低特殊隧道构造产生的特殊问题对监测结果的影响。采用过这种分段式的方法进行点云数据的获取，需要各个阶段间具备一定的重合才能保证监测数据的连续及可靠。也就是说，在进行点云数据的获取时，一定要保证每两个监测站之间必须存在一定规模的公共部分，避免出现数据断流。施工单位可以通过中线来显示出整个隧道的整体走向，选择隧道任意一段区间来获取点云数据，将该范围内投影后得到的点云在仪器的横向及纵向扫描面方向上的最大值和最小值，求出其中的平均值，然后运用二次曲线对所得到的平均值进行拟合，从而实现获得扫描平面上的中线方程。

（二）构建隧道断面

构建隧道断面是利用点云构建隧道断面的形变监测方法的重要环节，也是选择形变监测方法的重要依据。需要在隧道中线上选择某一点，并将该点与其邻域点进行综合计算，确保两点的关系满足曲线方程，从而以此点的切向量来构建关于该点的隧道断面。本文将隧道内壁单位间隔内的点视认为处于同一平面，以此作为依据赖构建对到横断面的轮廓线。

三、基于多期断面叠加分析的隧道形变动态监测方法

（一）点云滤波和坐标转换

由于隧道工程的复杂性，在进行原始激光点云分析时，通常会有注浆孔、电缆及螺栓等附着物在隧道断面上形成点，对点云数据造成一定的影响，需要在构建隧道断面前予以排除。本文论述中，将隧道的横截面视为一个椭圆形，以此来对分割后的各区域内的点云进行拟合，并通过平差模型的结算来实现滤波，这种方法被称为椭圆柱面拟合滤波方法，是一种常见的滤波方法。

激光点云坐标实际上是一种自定义空间形成的空间三维直角坐标系，需要将理论数据转为实际的施工坐标系。本文在这个转化的过程中采取摄影测量的方法，以直角坐标转换公式将点云中的所有点全部转换到实际的施工坐标系中。

（二）断面变化自动检测方法

采用断面变化自动检测方法，需要事先设定出一个间隔数值，在每个间隔处设置一个点，在其中选取任意一个点，以此点作为中心来截取一定厚度断面的离散点集，在此点的前后各设置一个点；并在此隧道断面上的各个点为中心，确定一个固定的角度去对点云进行搜索，并将这些点的坐标信息进行保存。在搜索期间，任何一个角度内未搜索到对应的点，那么就需要对相邻的区域内的各离散点进行局部的曲线拟合，进行内插，从而得出该方向上应该对应的实际断面点坐标。将两期的点云位置的坐标值采用不同颜色进行标注，一旦离散点集内的变形点超过设定值，就可以判定此区域为重点形变区域。

（三）基于极坐标的断面形变分析方法

在利用点云构建隧道断面的形变监测时，可以对多起提取的断面进行自动变化监测，将变形量较大的离散点集筛选出，并对其进行投影以及断面轮廓线的拟合，最后选取极坐标法来对断面进行形变分析。采用这种方法，首选需要在断面所在的平面内进行投影的计算，其次将断面的轮廓线进行拟合，最后进行断面形变分析。采用此方法需要注意的是，在实际的计算过程中，由于存在障碍物遮挡及隧道空间扫描角度等客观因素的限制，扫描结果很容易出现点云空洞，因此在进行断面轮廓线拟合时，要充分的利用椭圆拟合法，将椭圆中心与断面中心的相关关系进行工程计算，确保隧道断面的轮廓线能够同时满足这两种曲线的方程要求。另外还需要注意的是，在进行断面形变分析时，需要对隧道不同时期的相同位置的断面进行构建，将数据进行叠加然后采用极坐标法，将数据进行形变分析，得到的结果就是这段时间内隧道在空间上的位移变化量。而通过对隧道断面在某一监测时段内的位移的变化量的绘制，可以更为直观的将隧道断面的形变趋势表现出来。

结语

利用点云构建隧道断面的形变监测方法，是有效提升隧道施工的重要方法，并提升施工整体的质量和安全，确保工期内完工。在实际工作中，由于隧道地质的复杂性，新的问题及新的挑战不断出现；同时由于利用点云构建隧道断面的形变监测方法所获得的资源有限，测量时可能会出现一定的误差，需要施工团队积极吸取经验教训，对隧道断面的形变监测方法不断进行技术革新，进而提升形变监测的准确度，更高的为隧道工程建设提供有效的支持。

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1007-6344（2017）08-0314-01