基于三维激光扫描的地铁隧道快速监测方法研究

郑 敏，严 凤，熊 勇 钢

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，湖北 武汉 430010； 3.武汉汉宁轨道交通技术有限公司，湖北 武汉 430070)

地铁已成为我国大型城市主要的交通出行方式，围绕地铁运营的安全测量是国家和人民生命财产安全的重要保障。高效、高精度和自动化测量地铁隧道等设施的结构形状和表面(简称“结构形面”)的精准变化是保障安全运营的核心和关键(地铁钢轨毫米级的形变可能引发重大安全事故)[1-3]，但城市地铁具有空间分布广、观测环境恶劣、观测时间窗口受限(每周只有3个窗口，且时间仅为03∶00～04∶00)以及结构形面多变等独特的天然复杂性，且地铁检测包含检测项目众多，长期以来面临着“测全难、测准难、测快难”三大业界公认难题[4-5]。传统的地铁隧道测量方法有断面仪断面测量、收敛计收敛监测、全站仪拱顶沉降监测、水准仪隧道结构沉降监测等，这些测量方式存在功能单一、效率低、速度慢、观测环境受限制等问题，已无法满足当今地铁高效施工及高密度运营的要求[6-7]。

近几年，移动三维激光扫描系统技术迅速发展，这一新型的综合了多种高新传感器技术的测量系统具备高效率、高密度、高精度、多维度自动检测的特点，使得三维激光扫描技术在水利工程、市政工程、文物保护等方面广泛推广应用[8-9]。

本文介绍了集成三维激光扫描系统的车载轨道智能扫描系统并将其应用于地铁隧道进行快速监测，实现了地铁结构形面毫米级高精度测量和地铁结构形面微小形变三维精准提取与病害智能识别等，高效多功能的完成了隧道逐环直径收敛测量、限界检测、椭圆度分析、错台分析、渗水检测、衬砌检测等[10-11]。

1 基本原理

1.1 激光扫描仪基本原理

地铁移动三维激光扫描系统采用先进的主动传感器，发射受控制的激光照射在隧道内壁表面等目标上，然后接收目标的后向反射光，并由记录单元进行记录。系统利用脉冲从传感器发出到接收的时间差t来确定传感器与被测目标之间的距离，因此目标到激光器的距离R可以表示为

(1)

式中,c为激光在真空中的传播速度。

脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个反射回的脉冲。因为激光束发射出去的方向是已知可控的，每一次扫描都会建立从激光扫描仪到被测目标反射点之间的空间向量，进而得到被扫描点在扫描仪坐标系下的坐标[12-13]。

1.2 系统工作原理

首先完成系统内部多种传感器之间的时间同步与相对位置姿态的标定。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)提供外部精密位置约束与授时信息(在隧道内仅提供精确授时)。隧道环境下利用惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)和距离测量单元(Digital Measurement Indicator, DMI)数据进行航位推算获取移动测量系统及激光器的位置速度姿态等信息。将被扫描点在激光扫描仪坐标系下的坐标转换到目标坐标系。图1展示了车载LiDAR(Light Detection And Ranging)系统工作原理。

图1 地铁移动三维激光扫描系统工作原理

2 系统设计

地铁移动三维激光扫描系统主要由Z+F9012激光断面扫描仪、高精度IMU、双频三星GNSS板卡(含天线)、DMI及安装组件、多传感器同步控制电路以及存储单元、电源管理与保护模块、平板计算机/笔记本电脑等硬件集成。

Z+F9012激光断面扫描仪点云扫描速度可达1百万点/s，断面扫描速度高达200 rad/s，可以实现断面的高精度高密度扫描，并且这些海量数据可以在软件中显示和处理。三维激光扫描仪主要技术参数如下：

参数指标测距方式相位式发射频率不少于,0.1mm分辨率测距精度≤1mm扫描频率50-200Hz角测量精度0.02°扫描角度360°激光发射角度≤0.5mrad激光点尺寸1.9mm,@0.1m最大测量距离≥110m最小测量距离≤0.5m

地铁移动三维激光扫描系统不同于多光谱扫描系统和摄影相机系统，它不依赖太阳光照，所以它是一个全天时日夜可以获得地面数字三维信息的系统。系统硬件外观如图2所示。

图2 移动三维激光扫描系统硬件外观

3 实施方案

本文以武汉市轨道交通7号线一期工程运营期监测为例，该工程长30.85 km，为全地下线路，设站19座，测区大体为南北走向，经三阳路越江隧道工程，穿越长江。采用本移动三维激光扫描系统完成了不少于30 km的扫描。

考虑到在无GNSS信号环境下，地铁移动三维激光扫描系统本身无法实时获取位置信息，因此该方案主要基于IMU加DMI来实现无GNSS环境下定位定姿信息融合解算。测量时提前在CPⅢ控制点上布设高精度标靶，利用外部环境布设的靶标实现点云数据后处理校正，获取点云绝对坐标。以下过程为本套系统无GNSS条件下外业作业流程及获取点云三维绝对位置的处理过程。

3.1 外业实施流程

外业作业主要分为实地踏勘、标靶布设、控制点测量、现场数据采集4步进行。

(1)实地踏勘。作业相关人员到测区进行实地踏勘，了解测区情况及范围，确定设备进出场位置、测试起止点、靶标布设方案，现场注意事项等。

(2)靶标布设。轨道沿线间隔60 m左右分布一对控制点，在控制点上布设靶标，在曲线及有条件的地方加密布设控制点并在其上安置定制靶标(车站部位布设在站台边缘上、疏散平台一侧布置在平台上方1 m处)作为定位精度检查点，如图3所示。

图3 工作现场及靶标示意

(3)控制点测量。① 采用高精度全站仪测量靶标中心坐标；② 将仪器推行起点和终点设在轨道控制点附近，方便确定推行轨迹起始点和终止点在轨道控制网坐标系下的坐标。

(4)数据采集。调试硬件系统，为保证最大采样覆盖率，行驶速度控制在2 km/h，1 h可以完成1 km的区间左右线的扫描。工程数据采集完毕，拷贝扫描设备上的工程数据。

3.2 内业处理流程

图4 展示了内业数据处理流程，采用与本系统配套的数据处理软件，对高精度激光扫描点云数据进行处理，得到包含里程信息并可量测的高清灰度图和深度图，在此基础上实现对隧道管片的脱落检测、渗水检测、车辆超限检测、逐环直径分析、横断面分析和错台分析，详细步骤如下。

图4 系统内业数据处理流程

(1)三维点云融合配准。基于IMU、DMI的高精度定位定姿结果和激光扫描仪数据进行三维点云融合配准，获得部分区段的三维点云图和影像图如图5～6所示。

图5 部分区段点云图

图6 点云局部影像

(2)点云隧道灰度影像生成。利用融合生成的高精度激光点云数据生成隧道灰度影像，如图7所示，并利用POS信息纠正及隧道灰度影像里程纠偏得到了高精度隧道灰度影像成果数据，然后选取现场未参与里程纠偏的里程基准进行里程精度检核(考虑到初运营线路的里程标准通常未能建立完善，可以结合设计线路数据进行隧道点云灰度影像里程精度评定)。在此基础上实现隧道环片分析和渗水裂缝等病害识别。

图7 部分区段灰度正射影像

(3)点云隧道深度影像生成。利用高精度激光点云数据生成隧道壁形变深度影像，用以进行隧道形变掉块等病害检测等。

(4)自动环片识别。得到的隧道现场场景还原的灰度影像，针对隧道管片特征利用自动化算法实现管片自动识别划分，划分后的管片包括起始帧、终止帧、环号、里程位置等信息全部存入数据库，如图8所示划分完成为后续管片分析做准备。

图8 隧道管片划分

(5)自动环片收敛错台限界分析。根据得到的独立环片单元数据实现环片收敛分析、错台分析、限界分析过程。环片收敛分析情况如图9所示。

图9 管片收敛CAD图式样

(6)病害分析。利用隧道灰度影像和隧道深度影像实现渗水、衬砌掉块、裂缝等病害分析。

4 可靠性分析

为了验证三维激光扫描技术在隧道快速监测中的精度与可靠性，本文分别采用三维激光扫描仪、智能全站仪以及精密手持激光测距仪对相同隧道管片进行隧道中心水平距离测量，比较三者之间的较差。试验区段选择武汉市轨道交通7号线一期工程的取水楼-香港路区间，该区间为盾构法施工，大体为东西走向。

(1)三维激光扫描。为了对隧道管片断面扫描结果进行合理有效地分析，首先需要建立一个合适的断面拟合模型，然后对数据进行分析和处理。隧道管片断面在外部荷载压力不均匀的影响下，会产生微小的不均匀变形，可以看成是离心率很小的椭圆，利用管片断面扫描点云拟合椭圆得到隧道管片断面的具体形状及参数。利用拟合所得模型参数进行拟合标准差计算和管片断面分析，如表1所示。标准差计算公式如下：

(2)

表1 管片断面点云椭圆拟合结果(部分)

(2)全站仪。试验采用leica TM50全站仪，免棱镜观测标称精度为±(2 mm+2PPM)，考虑视距不超过6 m，顾及角度误差的微小影响，估算管片断面点测量精度不大于±3 mm。观测方法为任意选取20个管片，在断面中心架设仪器，固定仪器水平方向，通过竖向转动仪器免棱镜观测，每断面均匀观测管片上20个测点。用最小二乘法进行管片断面椭圆拟合，求出过隧道中心的水平直径。

(3)精密激光测距仪。采用标称精度为±1 mm@80 m的徕卡D210激光测距仪，对相同管片直接测量其水平直径。测量过程中注意在隧道中心上下挪动，多次测量，取所测最大值。

将全站仪及精密手持激光测距仪测量结果作为正确值，表2展示了移动三维激光扫描测量得到的隧道管片水平直径变化结果与其余2种方式结果最大较差为7 mm，移动三维激光扫描测量结果与全站仪结果对比标准差为4 mm，与测距仪对比标准差为3.7 mm，3组成果基本一致，满足业主对断面测量平面精度允许误差±10 mm的要求。

表2 3种方法所测的水平直径差值

5 结 语

基于地铁移动三维激光扫描系统的地铁隧道快速监测方法,利用三维点云和影像图，建立了地铁隧道的空间可视化模型，可实现地铁隧道断面与限界的快速测量。采用本系统相对应的专业数据处理软件，能准确提取断面成果，还能实现对隧道管片的脱落检测、渗水检测、车辆超限检测、逐环直径分析、横断面分析和错台分析等，有效克服了传统测量方式功能单一、效率低、速度慢、观测环境受限制等问题。实验结果表明：移动三维激光扫描系统的测量成果可靠，具有实时性、非接触性、数字化、高精度、高效率等优势，可在地铁轨道交通运行安全维护等工作中发挥重要作用。