地面激光雷达在电力管廊形变监测中的应用

王伟 生西奎 孟祥雨 胡腾 谷孝春

摘要：本文介绍和探讨了引进国际最先进的地面激光雷达检测系统Amberg Tunnelscan隧道测量检测系统在延西变电力管廊形变监测项目中技术实现路线、成果和精度分析并给出了在后续电力管廊形变监测中需要注意的问题。

关键词：地面激光雷达；三维激光扫描；电力管廊；形变监测

1、技术背景

地面激光雷达，英文学术简称Ground-based LIDAR（Light Detecting and Ranging），又被称作地面三维激光扫描测量技术，是近几年来才被工程界逐步采用的一种新型高精度三维测量检测手段。该技术通过激光雷达的扫描镜头高速旋转，将红外波段激光束高速发射到被测物体表面，并快速接收其反射光束从而实现对被测量物体与激光雷达测站之间相对角度、距离、以及激光反射率的快速精确测量。通过对这些三维空间坐标点进行测站拼接后，可以真实再现物体的几何形状以及表面纹理特征。

文献[1]应用该技术检测圆形地铁隧道竣工时实测与设计断面对比的变形，文献[2]～ [5]应用该技术检测圆形地铁隧道运营阶段断面变形和横向位移变形，文献[6]和[7]则应用该技术检测公路隧道运营阶段的断面变形。上述工程应用实践表明，地面激光雷达在检测隧道的三维变形方面具有速度快、精度高、检测全面等优势。

本文结合地面激光雷达检测延西变220kV输电线路改造工程隧道变形的实际案例对这一技术的特点和实际使用效果进行探讨。

2、项目简介

延西变220kV输电线路改造工程隧道段距离A检修口（JX-1）135～220米（A检修口向B检修口隧道设计里程为125～210米）处于易发生沉降变形的高速铁路跨越段。为科学评估该电力隧道在运营使用过程中受高铁跨越运营对电力隧道沉降、变形等综合影响，我单位分别于2016年9月21日和2017年12月1日先后两次使用瑞士知名隧道测量监测产品供应商Amberg Technology公司的Amberg Tunnelscan隧道扫描测量系统对隧道从A检修口到B、C检修口的电力隧道段实施了三维激光隧道扫描测量监测。本次监测的主要目的是发现隧道差异沉降、位移、裂缝、渗水等隧道结构变形和病害，同时检验激光雷达技术在电力管廊隧道变形检测中的适用性和有效性。

3、技术方案

1）外业第一步：布设隧道监测控制网

本次监测隧道两个控制点之间最大距离没有超过100米，使用短距离高精度三角高程传递可以达到二等水准测量的精度要求[4，5]。本项目使用高精度全站仪徕卡TS50在隧道内地面上中心线位置采用“三联脚架法”布设高精度平面和高程一体化控制点K1～K5，使用固定高度的进口棱镜对中杆和“三角高程传递法”将控制点高程引测至各控制点标志上。

2）外业第二步：在布设好的控制网上设站定向

控制网布设完毕后，所有控制点都具有准确的平面和高程坐标。后续设站时使用固定高度的棱镜对中杆设置在已知控制点上，全站仪通过后方交会方式对两个后视点进行设站即可获得测站的准确平面和高程位置。

3）外业第三步：扫描仪数据采集并用全站仪测量扫描仪每站3个定位棱镜

隧道平面和高程控制点布设完成后，使用FARO Focus 3D X130三维激光扫描仪扫描隧道三维点云，并采用瑞士安伯格公司技术专利的“绝对定位法”使用TS50全站仪将隧道控制测量坐标系下的每个扫描测站的3个棱镜的三维坐标测量出来。其中扫描仪基座左右两侧各一个棱镜，距离扫描仪5米处靶球棱镜为第3个定位点。为了保證扫描隧道点云的点位精度，一般静态地面隧道扫描的站间距不超过隧道直径的两倍。本项目中我们采用6米站间距进行激光雷达数据采集。

最后，为了便于后续输入隧道数据处理的参考轴线，使用对中杆将地面中线点三维坐标也逐一测量出来。

4）内业第一步：输入隧道设计数据

将外业中测量的隧道地面中线点三维坐标，按照平曲线和竖曲线数据类型输入到Amberg Tunnel隧道扫描测量软件监测包中，作为数据处理的隧道参考设计轴线。软件根据输入的隧道平曲线（中线）、竖曲线（纵坡）、理论断面和理论断面区间定义，可以自动生成隧道的3D参考设计模型。

5）内业第二步：点云绝对定位（坐标传递）

将外业采集好的每站扫描点云数据和全站仪给每个扫描仪测站定位的三个坐标点数据导入Amberg Tunnel隧道扫描测量软件监测包中，对所有测站点云进行“绝对定位”。

6）内业第三步：两次扫描实测断面套合对比

经过绝对定位后的每站扫描三维点云数据被转换到统一的隧道控制测量坐标系下，可以通过输入该坐标系下的隧道轴线和设计断面定义，使用软件提取相同里程处两次扫描“实测vs实测”断面对比图，分析隧道的沉降和变形数值。

7）内业数据处理第四步：两次扫描实测断面对比断面差3D投影处理

此外，通过将3D点云按照设计断面轮廓线展开方式进行3D投影处理，可以获得隧道正射影像2D展开图。图上每个像素点都对应3D点云中的一个三维空间点。将该点处“实测vs实测”断面差，即两次扫描间隔期间断面发生的变形量，按照不同数值区间对应不同颜色的方式，用彩色对隧道正射影像2D展开图进行染色，即可以在这幅图中获得整条隧道每个部位变形量的分布情况。

下图左边是隧道正射影像彩色2D展开图，右边是与左边亮显断面里程对应的2D断面图。从该图中可看出，A隧道的变形量主要在（-20mm，20mm）范围内。隧道顶部的红色和底部的绿色都代表变形量是沉降，而且沉降量在10～20mm。该图中断面差的正负值定义如下：负数代表实测点在参考断面的内侧，正数代表实测点在参考断面外侧）

2D彩色正射影像和2D对应断面视图（左）与彩色3D点云视图（右）

上述3D投影还可以输出一个与2D彩色正射影像图相对应的3D彩色点云视图，如右图，左侧是彩色点云3D视图，右侧是被选中的亮显断面里程的2D断面图。

4、变形数据分析

从两次扫描实测断面对比图中整理出每隔5米隧道内顶部、地板以及二者差异沉降量对比统计可查。其中0～80米为A隧道段，135～200米为B隧道过铁路段。从结论数据可以看出整条被检测隧道顶部和地板的沉降量都在5～20mm范围内，顶部和地板的差异沉降量在10mm以内。

此外还需要补充说明，2017年6月左右，该隧道内壁重新进行过一次内壁粉刷和裂缝修补，所以涂层厚度也被包含在了这次扫描检测出的变形量之中。

5、测量精度分析

本项目监测控制网各点位精度按照控制网平差后残差统计平面精度可达3mm，高程精度1mm。按照文献[6]中精度评估方法计算出的每个扫描测站所选取的最弱精度点云点（距离扫描测站3米处）的平面精度：

最弱精度点云点的高程精度：

6、探讨和建议

鉴于两次扫描对比获得的隧道变形情况，建议继续对该段隧道进行每年一次的变形检测并与上一年扫描检测数据进行比对以确定隧道变形是否有增大或者稳定趋势，尤其是重点关注差异沉降较大部分是否会导致隧道继续出现开裂或坍塌趋势。

如要了解隧道控制点的沉降量，须从隧道沉降区域以外地表稳定点引测高精度水准测量到隧道内的高程控制点上，以检查隧道内控制点的沉降量，将这部分沉降量加到本次检测出的各里程隧道沉降量中即可获得隧道真实的整体沉降量。

参考文献：

[1]尤相骏，成俊.一种真圆型隧道激光扫描断面变形检测新方法的研究[J].隧道建设，2017（7），37（7），204：794-802.

[2]李攀 ， 万灵 ，王二中.基于三维激光扫描的盾构隧道横向变形指标研究[J].铁道科学与工程学报，2017 ，14 （8） ：1728-1734.

[3]許子扬 ，黄声享 ，邹进贵.三维激光扫描技术在隧道监测中的应用[J].北京测绘，2017（S1）.

[4]朱宁宁.三维激光扫描在地铁隧道形变监测中的应用[J].测绘工程，2015（5）：63-68.

[5]王令文，程效军，万程辉.基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究[J].工程勘察，2013（7）：53-57.

[6]谢雄耀，卢晓智.基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法[J].岩石力学与工程学报，2013（11），32（11）：2214-2224.

[7]陈欣，江瑞龄.三维激光扫描技术在高速公路现役隧道变形监测上的应用[J].科技创新导报，2013 （35） ：113-114.

[8]于成浩，柯明，赵振堂.精密工程测量中全站仪三角高程精度分析[J].北京测绘，2006（3）：26-28.

[9]韩军生，顾和和.短视距精密三角高程测量代替二等水准的探讨[J].地理空间信息，2011（12），9（6）：141-143.

[10]尤相骏，詹登峰.一种新型三维激光扫描隧道测量点云坐标定位方法的精度评估研究[J].测绘通报，2017（4），481：80-84.