智能化测绘技术在地铁结构安全监控中的应用

智能化测绘技术在地铁结构安全监控中的应用

康艳霞

北京城建勘测设计研究院有限责任公司 天津 300000

摘要：自动化监测可节约人工成本，实现高频率数据采集。目前，80%的地铁投运城市已经实现地铁保护区的监测监护工作自动化；其中，苏州、杭州、深圳等城市已全面推广。测量机器人及其他物理传感器可快速获取隧道断面离散点的监测数据；而移动式三维激光扫描技术可使隧道空间检测领域的点线分散获取方式转为连续数据获取方式；其提升了数据获取的量级和效率，推动数据获取和数据处理的过程日益全面化、智能化。基于此，对智能化测绘技术在地铁结构安全监控中的应用进行研究，仅供参考。

关键词：地铁；隧道结构；智能化测绘；运营期

引言

众所周知，测绘的主要任务是测量和表达各种自然要素、文化现象和人工物体的多维空间分布、多重属性和随时间的动态变化。因此，需要利用各种先进的技术手段和工具来开展收集、处理、分析、提交、管理和成就服务等活动。因此，测绘是一个技术密集型产业，技术进步对提高生产效率和服务水平起着重要作用。中国测绘经历了从模拟测绘技术到数字测绘技术的重要转变，并逐步实现了全行业的数字化转型，促进了数字产品生产和服务体系的全面建设，推动了地理信息产业的大力发展。然而，近年来，这种数字化测绘技术的红利基本耗尽，测绘生产和服务面临着许多新的挑战，如实时数据采集、信息处理自动化、基于知识的服务应用等。栋从数字测绘到智能测绘，这已成为必然选择。[康1]

1智能化测绘的概念

从技术角度来看，数字测绘不仅使用特殊工具或设备测量空间分布、专题属性、互连和自然因素、人工结构和人类现象的时间、空间变化，还为地理空间数据的数字产品生成提供数字建模、空间处理和视觉表达的实现以及相关的数据信息服务。它的本质特征是使用定量算法或分析模型来计算和分析矢量或栅格空间中各种数字化的观测数据，以实现几何处理、物理反演和误差分析。多年来，在计算几何、离散数学、数理统计等基础上，根据坐标系的测绘、投影变换、可视化机制、共线性方程和测量像差的原则，人们研究了时空数据、遥感图像、数字地图等几何特征和物理参数，并提出了多种算法。处理和模型，包括坐标。变换、几何校正、辐射合成、分类提取、多元建模、空间分析、视觉表达等。

2信息的智能化感知

结构安全自动化监测的流程包括数据采集、数据传输、数据处理和分析、成果展示、预警监测与决策。其中，数据采集的测量设备包括测量机器人、静力水准仪、激光测距仪、裂缝计等设备；其功能是实现对目标的多源、多视角、多尺度智能感知。数据传输采用蓝牙、无线网卡等方式，将采集到的原始数据实时无损地传送到监控中心，保证了采集效率和数据真实性。数据处理和分析是整个流程的重中之重，软件内集成了基准点的稳定性判定VT检验法、全站仪气象改正模型、静力水准仪的温度改正模型等，可通过简单的操作完成自动解算与判断。成果展示构建“一项目一档”，通过web展示平台形成项目的数字化档案。预警监测是自动化监测中的重要环节。系统通过短信、企业微信等常用APP的功能，实时将数据采集成功率和数据监测成果发送至项目负责人。

3智能化测绘内涵

世界由多种自然元素、文化现象和人工设施组成，并表现出多种几何特征、多维动态时空分布、复杂关系，不能用简洁而通用的数学模型或算法来完全解释。例如，地形数字要素中人与属性之间存在复杂的关系。计算几何和空间关系等模型和算法可以用于计算和分析，但要对内容的完整性和逻辑不一致性做出理性判断，需要依靠专家的认知经验。实际上，根据相邻等高线的相邻关系和垂直区间的差异，地形图号、有经验的测量员和制图员可以快速识别地形要素，如山脉、山谷、鞍形等。栋并确定高度分布是否有异常，但很难用分析算法或模型来表达。在全国1∑50，0 00基础地理信息数据库建设和更新项目的设计和实施过程中，相关专家研究了4D数据必须满足的内容完整性和逻辑一致性，并结合轮廓邻域和复杂线性关系等一系列算法，归纳出五类20多个约束和规则。它形成了一种基于规则算法的数据质量检查和评价方法，并实现了轮廓高度和整体DEM误差等近100个数据质量因素的自动化。

4智能化测绘成果质检现状

智能测地线和测绘是基础大地测量和测绘的继承和发展，地理信息数据的收集、表达和组织进行了一定程度的改革。随着来自多个来源的数据汇集、时空建模和大数据分析等关键技术的应用，采样、内容和检验方法、评价方法和指标等传统的和质量控制方法已无法充分应用。智能全息测绘和质量管理无疑会向更专业、更自动的方向发展。当前智能测量和质量管理映射的挑战包括:(1)各种因素的质量管理标准统一。传统的质量管理标准根据规模在结果中定义了要素准确性的几何指数，而智能测量和映射违反了传统的尺度概念，进入了“一个维度用于多种目的，根据需要工作”的模式，因此，单精度指数和质量管理方法不能继续。(2)子要素和尺度的质量不合理。在传统的质量控制标准中，将考虑地图的视觉效果，地图的要素、注释和整理的综合选择将包含在地形数据子要素的质量控制要素中。但是，智能大地测量和光刻数据库已从按规模分类的地理信息的基础数据库移至按地理特征分类的无尺度基线时空数据库，质量及其重量的一些相关子元素需要紧急调整

。

53智能化感知技术在地铁的应用策略

53.1测量机器人自动化监测自动化监测系统[康2]

自动监控系统由测量机器人、监控站、控制计算机实验室、原点和变形点组成。远程计算机可以通过互联网控制远程GPRS模块，从而远程监控和控制监控系统的运行。系统可以在无需操作员干预的情况下，实现变形报告的自动监视、记录、处理、存储、编辑和变形趋势显示。

徕卡公司推出的TCA系列全站仪，是采用马达驱动和软件控制的TPS（Total station Positioning system）系统，它是智能型全站仪结合激光、通讯及CCD技术，集自动目标识别、自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标、遥控、自动记录数据于一体的测量系统。TCA系列智能全站仪又称“测量机器人”，它以其独特的智能化、自动化性能应用于地铁变形监测中，可轻松获取变形观测数据，及时进行监测预报。采用该仪器组建的地铁自动变形监测系统由系统硬件和系统软件两部分构成。

5.2地铁结构状态普查

为验证移动式三维扫描技术在地铁隧道结构分析的适用性和可靠性，采用起止点扫描法对地铁巷站区间下行线K10+460～K11+575区段约1.2km的区间进行扫描试验，对获取的点云进行处理，获取隧道结构变形监测指标。在推扫作业前，完成控制网的布设与测量。按照直线段50m间隔，曲线段30m间隔的原则在扫描线路左右轨道两侧交替布设靶球，根据精度要求进行控制网及标靶坐标测量；利用定制的同心装置保证棱镜和靶球的中心一致，减少内业处理。利用移动式三维激光扫描系统快速获取高分辨率点云，利用点云处理与分析软件计算地铁隧道的椭圆度、断面收敛、错台、限界等参数，采用与人工测量结果对比的方式完成精度分析，并结合实例验证其可行性。

5.3完善质量子元素内容及权重,单位成果内合理打分

3.2静力水准自动化监测

既有地轨道结构自动化远程监测采用静力水准远程自动化监测系统，监测网按测线形式布置，在静力水准测线端头稳固位置设置基准点。

监测系统采用DAMS—IV型分布式监测系统。系统由传感器、数据采集单元（DAU）、计算机、数据采集管理软件构成。各测量控制单元（DAU）对所辖的仪器按照监控主机的命令或设定的时间自动测量，并转换为数字量，暂存于DAU中，并根据系统监控主机的命令向主机传送所测数据。监控主机根据一定的判据对实测数据进行检查和在线监控。

3.3移动三维激光扫描检测

三维激光扫描系统以一定间隔的点对变形体表面进行扫描，形成大量点的三维坐标数据，具有信息全面和丰富的特点。测量三维激光扫描系统采集点云的过程中完全不需要接触变形体。三维激光扫描系统通过高密度点云数据对变形分析，可获取变形体的整体变形信息。

移动式的三维激光扫描设备，系统主要集成：

（1）3D激光扫描仪；

（2）多传感器同步控制单元；

（3）高精度激光惯导；

（4）高精度里程编码器；

（5）嵌入式计算机以及电源供电系统等设备；

组建高精度地铁监测与测量平台，在同步控制单元的协调下使各个传感器之间实现时空同步，快速采集隧道的全断面时空数据。

3.4回弹法混凝土强度检测

混凝土强度检测主要分为回弹检测和钻孔检测，回弹检测对结构体破环较小几乎对结构体没有损伤。因此隧道现状检测主要以回弹法进行混凝土强度检测。

回弹法是根据结构物表面混凝土硬度推定其抗压强度,仅适用于抗压强度为10～50MPa,龄期为14～1000d普通混凝土。但是对表面受冻害、火灾以及表面被腐蚀的混凝土,不可采用该方法。

回弹仪器的工作原理主要是：含有一个标准质量的重锤，在标准弹簧力的作用下冲击与混凝土表面相接触的弹击杆，因为会受到弹力作用，在回弹仪上的重锤又会跳到相反的距离，同时也会带动指针，进而在相应的刻度上标识出回弹值（N），这一数据直接反应出混凝土的硬度，材料表面的硬度与材料自身强度相关，因此冲击回弹值和混凝土强度的曲线就能够很容易地画出，我们可以按照回弹值的大小来对混凝土强度进行准确的计算。

这种检测方法的优点在于操作简单，混凝土检测人员能够很容易的采集到相关样本；检测之后的数据可以很准确地反应出混凝土强度数据；能使相关检测人员非常清晰地了解混凝土强度，从而获得全部的真实数据。

3.5混凝土碳化深度检测

混凝土碳化深度检测必须与回弹检测测区同步，碳化深度与回弹值根据专用测强曲线得出该测区混凝土强度换算值。

1）碳化深度检测方法

《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》JGJ/T23-2011要求测量混凝土碳化深度值应选用1%-2%的酚酞酒精溶液。

（1）测区用到铁锤在测区表面形成直径约为15mm的孔洞，其深度约等于保护层厚度，然后除去孔洞中的粉末和碎屑，不能用液体冲洗。

（2）用浓度为1%的酚酞酒精溶液立即洒在孔洞壁的边缘处，直至空洞变色。

（3）再用钢尺(碳化尺)测量自混凝土表面至深处不变色、（未碳化部分呈紫红色）有代表性的交界处垂直距离。

（4）每次测读至0.5mm。在测区中选取n个碳化深度测点，得到相应碳化深度测量值，即可进行平均碳化深度值的计算(实际成产中每个测区取三次碳化值平均值)。

由于智能大地测量和测绘的收集要素比传统的八大类地理要素多100多种，因此根据传统的扣除规则，很难用百分比系统反映结果的真实质量。最好计算大量的因素，并以错误和遗漏的百分比来判断质量。按照创造各种成果的过程，跟踪过程的来源，合并大数据和综合研究，增加获得的子项目质量属性的属性，减少与图纸整理相关的质量子元素的重量，从而提高子项目的质量。

结束语

在数字姐妹城市的建立和数字经济的发展背景下，传统的测绘和地理信息产业正在发生巨大的变化和现代化。测绘设备更加复杂，数据采集和处理方法更加智能化和高效，应用场景更加跨学科。但是，由于测绘成果的生命线，质量检验和精度评价严重滞后。我们要重视成果质量测绘检验建设的信息化，不断完善和完善质量检验方法和标准，提高质量检验成果调查测绘工作的效率。

参考文献

[1]赵婧文,金雯,申建华,杨飞飞.智能化全息测绘成果及其质量检查探讨[J].测绘通报,2021(S2):257-259.

[2]张丽.智能化全息测绘成果质量检查方法研究[J].测绘通报,2021(S2):260-263+275.

[3]陈军,刘万增,武昊,LISongnian,闫利.智能化测绘的基本问题与发展方向[J].测绘学报,2021,50(08):995-1005.

[4]邓显威.地铁结构安全监控与预警中心系统的设计及应用[J].科技风,2018(14):97+105.

[5]杨雪晴.地铁结构变形预测模型及应用分析[D].东南大学,2018.

[康1]引言应该说明，根据内容修改

[康2]自动化监测描述的是自动化机器人，增加三维扫描内容，以及静力水准5.2增加机器人测量和静力水准内容