基于点云数据的地铁隧道变形监测方法研究

朱海英

（甘肃省华亭市自然资源局，甘肃 平凉 744100）

三维激光扫描技术比起传统测量技术，它的作业过程更加简单、工作过程快捷、采集数据精度高、能得到三维数据，数据应用更为广泛，在多个工程领域都有很大的用途。点云数据研究隧道变形比起传统方法有很多优点，不用换各种仪器测量隧道变形，也不用花费大量人力物力，而且能得到隧道三维模型，更加直观反映隧道信息。

1 三维激光扫描技术

根据测距原理，三维激光扫描仪主要有两种，即基于脉冲激光扫描仪和基于相位激光扫描仪。两种三维激光扫描仪在有效距离和精度方面各有优势。根据搭载平台划分机载激光扫描系统、地面型激光扫描系统、手持型三维激光扫描仪。

扫描仪的作业过程其实就是在不断采集距离信息、角度信息和处理这些信息，让这些信息变成三维空间信息，采集被测物表面所有的点云数据，并把这些数据保存在仪器系统的坐标系下。如果一站不能测全就多架设几次测站，但每一站都会有单独的仪器坐标系，后期处理的时候需要把它们集合在一个坐标系下，一般是大地坐标系，然后进行数据处理，得出三维空间模型。

2 地铁隧道变形监测

2.1 隧道变形监测的目的

基于点云数据隧道监测是测出隧道表面所有点，通过专业软件处理得出隧道的模型信息，然后分析隧道模型得出隧道变形信息。隧道变形监测的目的就是得出隧道变形信息，为隧道设计和施工提供解决方案，以保证隧道的经济性和安全性。在目前的隧道工程中，监测内容主要包括几何监测和物理力学监测。

2.2 变形监测点的布设

在施工过程中，监测部分通常每10m 设置1 次，每个部分设置5 个监测点，点位分布如图1 所示。

图1 隧道监测部分监测点分布

通过这些监测点进行拱顶沉降测量、地表沉降测量、周边收敛位移量测。

3 三维激光扫描数据的获取及预处理

3.1 基于地面三维激光扫描系统的数据采集

三维激光扫描仪获取点云数据和数据处理上一般有3 个阶段：扫描前准备、现场扫描和处理获取的数据。流程图如图2 所示。

图2 三维激光扫描仪作业流程图

3.2 数据预处理

三维建模时的数据处理步骤主要分为两步，即点云数据的预处理和利用建模软件进行目标实体的三维模型构建，其中点云数据的预处理又有点云数据的配准、拼接、去噪、分割等。

4 隧道模型建立与变形分析

4.1 模型的建立

PolyWorks 软件能快速和高质量处理点云数据，通过PolyWorks Model，建立模型与模型处理。使用PolyWorks Inspection，对点云数据的检查处理。建模的基本原理是对点云散点连接成三角网、删除错误拓扑序列、填补漏洞、得到三角化数据模型。

预处理完的数据从HLS 文件转换las 格式，接着在PolyWorks 软件中新建工作区，并通过PolyWorks Inspector 工具，加载数据las 格式的隧道点云数据，再经创建三角化数据对象，用polyWorks Modeler 打开，删除拓扑错误，对三角化模型经过补洞处理、优化曲率得到隧道模型如图3 所示。

图3 隧道点云数据和隧道模型

4.2 基于点云数据的隧道变形监测

因隧道变形监测中拱顶沉降、周边收敛以及地表沉降须通过隧道的切片信息获得，所以要进行点云数据的隧道中线、连续断面提取，再基于隧道断面信息分析隧道变形。

（1）隧道中轴线提取。首先通过三维激光点云数据提取隧道点云边界，再拟合出隧道上下边界线，最后根据上下边界解算出中轴线。点云边界提取过程如图4 所示。

图4 点云边界提取

（2）连续断面提取。得到隧道的中轴线后，就可以提取隧道的连续断面信息，对于中轴线上任意一点，计算该点处的切线，则该切线的法平面位置即为隧道断面。如图5 所示。

图5 断面生成

本次研究的隧道是直线状的，需要对点云进行坐标转换，即使隧道拟合出的中轴线与Y 轴平行。一般将隧道中轴线作为隧道断面提取的方向，提取出的断面才能投影到标准平面内，方便后期数据分析。隧道断面提取如图6 所示。

图6 断面提取示意图

4.3 隧道变形分析

（1）断面分析。通过对中轴线的特定里程处进行断面提取，得到同一里程第二期和第三期的断面如图7 所示。两期断面的监测数据表明地铁断面的椭圆度均小于6‰，净空收敛监测控制值均小于12.4mm，完全满足规范中的验收标准。

图7 同里程两期断面

经软件测量，本文研究的8 个里程断面的椭圆度见表1，可以看出8 个位置的断面都符合规范验收标准。

表1 断面参数

（2）隧道模型分析。已知三维激光扫描仪观测时，目标在25m 的范围内精度可达到1mm。本次内业处理时，将多站观测数据使用靶球拼接后，检测精度依然达到了1mm，在此基础上建立的模型精度是相当高的。通过三维模型可以直观看出随道存在的变形大小及位置。隧道模型内壁如图8（左）所示，隧道模型内壁接口处如图8（右）所示。

图8 隧道模型内壁与内壁接口处

5 结束语

基于点云数据的地铁隧道变形监测中，三维激光扫描技术是一种非接触式测量，相比传统观测手段具有易观测、精度高、外业工作量少的优点，可在工程实践中大大提高工作效率。本文通过数据处理的实例为工程应用提供了一定的参考。