三维激光扫描在地铁隧道变形监测中的应用分析

赵彦军 杨 锋 税广通

甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司 甘肃 兰州 730000

在信息时代,三维激光扫描能够为地铁隧道变形监测工作提供完善的点云数据,测量精度和数据采集效率极高,耗费成本也远远低于全站仪,能够克服传统监测数据的缺陷与不足,满足地铁隧道变形监测工作的要求。本文将简单介绍三维激光扫描仪的组成结构与工作流程,并以西安地铁四号线为例论述三维激光扫描在地铁隧道变形监测中的应用方案。

一、三维激光扫描仪的组成结构与工作流程

三维激光扫描仪的核心处理软件主要包括Point cloud、Polywoeks和Leica Cyclone,这三种软件均适用于点云数据配准、建模和处理工作。在地铁隧道变形监测中,三维激光扫描仪能够做好点云配准工作,提取断面,对断面进行对比分析,并不断优化断面收敛与变形分析工作。从总体上分析,三维激光扫描仪可分为两大系统,即断面提取系统和隧道变形分析系统。其中,断面提取系统由导入设计数据(包括里程和设计断面半径)、导入原始点云、点云预处理、导入全站仪测量数据组成,该系统能够处理好点云数据配准工作、断面处理工作,并生成不同断面测量点文件;隧道变形分析系统能够导入不同断面测量点的数据,实现断面圆环拟合,对比分析设计半径和二期相同处断面。

其次,当代三维激光扫描系统主要依托于Matlab平台,对地铁隧道变形监测中三维激光扫描收集的数据予以点云数据处理,主要工作流程如下:

第一,实施点云数据初期处理。在此工作中,三维激光扫描系统首先要依次剔除激光的反射光束、各种工作噪音和隧道管线,然后对隧道壁中的数据进行点云处理。

第二,做好点云数据配准工作。进入此阶段以后,工作人员要做好各站扫描坐标系与测量坐标系之间的转换工作,然后对后面的数据进行分析与处理。

第三,做好断面处理工作。在此过程中,工作人员要设置好间隔,精心提取断面点云数据,然后运用最小二乘法拟合隧道的中心轴线。

第四,分析隧道变形。在此阶段,工作人员要精心拟合各断面的测量点数据(注意使用圆环拟合法),然后,对比设计半径,接着对比分析相同位置的多期收敛性变形。

第五,确保数据输出质量。工作人员要综合使用图形方式和文本方式正确输出断面处理结果。

另外,工作人员要注意优化地铁隧道变形监测方案,处理好内业数据处理和外业数据采集工作,这两项工作流程合在一起,可以将顺序概括为:全面测量,为各站点设置两个棱镜坐标和一个靶球,用三维激光扫描隧道,实施各测站点云数据处理,运用三维激光扫描数据处理系统进行断面分析与处理,输出报表,做好断面拟合,分析设计半径和隧道收敛变形。

二、三维激光扫描在地铁隧道变形监测中的应用方案

(一)采集隧道之中的点云数据

西安地铁四号线从2018年2月开始采用三维激光扫描开展地铁隧道变形监测工作,并全面采集了两期点云数据。在工作中,采集数据所使用的核心仪器是FARO Laser Scanner Focus3DX120,该仪器的扫描距离远达120米,测量误差也远远低于全站仪,大约在＋2mm,波长为905纳米,扫描的市场范围运算以垂直×水平的计算方式为主,通常是305×306。

此外,在地铁隧道变形监测工作中,FARO扫描仪原本无法独自完成定位定向工作,各站的扫描数据信息也是相互独立的。因此,要将所有数据信息配准到统一的标准坐标系之下,并在现场设置好靶球,为公共部分布置两站的数据,以此实现数据配准。而且,西安地铁四号线的数据采集工作是用两个棱镜来进行定位基座,并运用一个球形棱镜予以组合。

(二)运用三维激光扫描处理点云数据

从总体视角来讲,三维激光扫描所获取的数据信息量非常多,并不利于监测分析工作。因此,要科学使用三维激光扫描处理点云数据,控制好误差与离散效应的不利影响。需要注意的是,通常在离散之后, 接收器就会收到无数杂乱的光束,而这些光束会经过反射来加剧负面影响,滋生冗余数据。对此,要借助三维激光扫描清除冗余数据,确保监测结果的精度。

(三)用三维激光扫描实施点云配准用三维激光扫描处理点云数据是一项任务量极为庞大的工作,因此,在执行该项工作的同时要做好点云配准工作。首先,要明确点云数据的定位定向,将所有的数据信息归纳到统一标准坐标系之下,并运用三维激光扫描仪来完善坐标系统。其次,要尽快准确完成点云数据与测量坐标系之间的转换工作,简化内业拼接流程,提升全站仪和三维激光扫描仪的互补作用。另外,要精确识别靶心,提取断面,做好变形分析。西安地铁四号线就是运用三维激光扫描仪实施点云配准,用输出报表的方式进行断面分析,最终使用最小二乘法来拟合断面,分析设计半径和隧道收敛变形,从而有效确保地铁隧道收敛变形监测的效果。

结束语

综上所述,在地铁隧道收敛变形监测中正确运用三维激光扫描技术,需要处理好点云数据和点云配准工作,综合分析设计半径和隧道收敛变形,以此提升地铁隧道收敛变形监测质量。