基于三维激光扫描技术的地下隧道工程限界分析与应用研究

基于三维激光扫描技术的地下隧道工程限界分析与应用研究

周大勇

辽宁省核工业地质二四一大队有限责任公司  辽宁省凤城市  118100

摘要：随着我国交通工程行业的不断发展，隧道工程一直是建设交通强国的重要部分，其具有缩短线路距离、减少环境破坏等优点。但隧道工程大多修建在人烟稀少的偏远山区，地质情况复杂，施工环境恶劣，施工不稳定因素众多，这都给隧道洞身爆破开挖施工带来了巨大挑战。众多学者对复杂地质条件下隧道洞身爆破开挖施工技术以及监测进行了研究。针对高温地区隧道爆破施工问题，采取综合手段降低施工环境温度和炮孔温度，解决了高地温隧道施工的安全控制问题。本文主要分析基于三维激光扫描技术的地下隧道工程限界分析与应用。

关键词：三维激光扫描；隧道工程；椭圆度；病害；水平直径

引言

三维激光扫描又被称为实景复制技术，在测绘领域是继GPS之后又一次技术革命。三维激光扫描与传统测量方法相比，具有操作简便、自动化程度高、工作效率高、精度高、非接触式等一系列优点。目前，三维激光扫描技术已经广泛应用于地形测绘、地下工程、高层建筑变形监测、矿山测量、古建筑物测量等领域。基于三维激光扫描仪获取路面点云数据提取到的道路倾斜、曲率等变形信息与实测水准数据吻合，验证了三维激光扫描技术道路沉陷监测上的可行性。利用移动式三维扫描以推行扫描方式获取狭长隧道结构点云数据，实现隧道结构变化监测和隧道变化精准监测。三维激光扫描技术可以对隧道进行状态调查，调查结果可以为后期隧道病害修复提供科学准确的测量数据，具有十分重要的科研价值和现实意义。

1、三维激光扫描的组成与基本原理

三维激光扫描系统主要由扫描系统、控制系统和计算机系统三部分组成，其中扫描系统主要包括激光测距模块和激光扫描模块；控制系统通过计算机总线控制扫描模块和测距模块来保证扫描工作的正常进行；计算机系统通过系统指令的方式方法来控制仪器的工作，并将测量数据进行存储。三维激光扫描系统主要由扫描系统、控制系统和计算机系统三部分组成，三维激光扫描仪通过高速转动的马达来使扫描头部转动，与此同时激光发射器发出激光，激光经过待测物体表面反射回到扫描系统，被扫描系统中的激光接收器接收，激光接收器根据激光反射回来的水平向扫描角度α和竖向扫描角度β、激光束从发射到被接收的往返传播时间t、信号强度等信息，由往返时间t求出扫描仪到目标物体之间的距离S，再配合扫描仪自身的位置信息，就可以反演得到目标物体表面的三维坐标信息及反射强度信息等。

2、点云数据建模

（1）去噪处理。在完成点云的初步拼接匹配后，需要对点云数据进行去噪，消除隧道轮廓之外的干扰数据，若不对噪点进行处理，会降低后期建模精度，严重的会导致模型与实际隧道严重偏移。造成噪点的主要因素如下：①不同的表面材质、颜色会影响激光的反射；②仪器周围通过的人员和车辆，以及隧道侧壁布设的通风管道、堆积的杂物对激光的遮挡；③仪器自身的系统误差。文章采用RANSAC算法对点云数据去噪，随机抽取样本子集，采用最小方差算法估算样本子集的圆柱模型参数，将其与全样本数据进行偏差计算，与预设阈值对比，当偏差大于预设值时，说明该点为噪点。多次迭代上述步骤，剔除噪点直至迭代结束。应用RANSAC算法应满足以下条件：①点云数据中存在一定数量与被测物体轮廓无关的噪点；②被测物体应具有一定规则的几何形状，在空间坐标系中能够被拟合公式表示；③只能通过点云数据拟合出唯一的模型。（2）点云抽稀。前文已讨论了为保证隧道被测段全线监测精度，三维激光扫描仪需要多次搬站测量，而点云数据随着测距增加，点云密度逐渐下降，因此在各搬站点附近点云密度势必过高，多余点云数据对之后建模精度无提升效果，但是会显著降低数据处理速度。文章采用曲率抽稀法对密集点云进行压缩处理，减少线型平缓处的点云数量，保留大曲率变化处的点云数据，再进行随机抽稀处理，从而在降低点云数量的同时，保留足够的细节。（3）中轴线提取。通过RANSAC算法迭代得到去噪点云数据后，需要从点云数据中提中轴线才能进行最终的曲面模型拟合。文章基于传统的双向投影中轴线提取法，改进其整体性的不足，将三维空间中的曲线分段近似成直线，计算出每条直线的法平面，法平面形成的交点即为中轴线上的点，连接这些点即可得到隧道三维空间的中轴线。（4）曲面拟合。由于点云数据为不连续的数据，即使提取出中轴线，也无法实现隧道任意断面任意点的变形分析，因此需要将离散的点云数据拟合为连续光滑的曲面数据，从而实现无点云位置的数据读取。文章基于最小二乘分和RANSAC方法，对传统二次曲面拟合法进行改进，具体步骤如下：①随机抽取点云数据，计算其二次曲面参数；②设置误差允许值，利用其他点云数据检验计算的二次曲面参数正确性；③当误差大于误差允许值时剔除该点，当误差小于误差允许值时，该点云为内点；④剔除外点，将内点集合成新的点云数据，进行重复迭代，直至新点云集合中点云个数稳定不变，此时内点所对应的模型为最优模型；⑤用最小二乘法计算剩下的内点，得到最优拟合曲面模型，

3、三维激光扫描流程

三维激光扫描技术通过发射和接收的激光束获得被测物体每个点的三维坐标，然后利用计算机图像处理技术把三维坐标转换成三维点云，并将被测目标的数据信息完整地录入计算机中，再基于数据信息进行处理，最终构建三维矢量模型。隧道爆破后将三维激光扫描仪放入指定位置，对爆破后的隧道轮廓进行扫描并采集数据后传至终端，按照专业规范和利用专业分析软件对点云数据进行分析，推算开挖平整度，对爆破超、欠挖量进行定量评价。将分析结果上传至隧道施工子系统预警平台进行展示和预警发布处置，隧道施工子系统对超、欠挖问题按流程进行闭环管理，且相关数据能为后续灌浆监测、脱空检测、混凝土实际使用量核算提供数据基础。方便了铁路工程施工单位以及监理单位在平台上对隧道施工断面质量的管理，达到了“快速辨识风险、及时预报风险、形象展示风险、有效控制风险”的目的。三维激光扫描爆破优化流程：1）进行爆破方案设计，并将相关数据录入系统；2）对班组进行培训和交底；3）作业人员进行钻孔和装药；4）方案设计人员通过多种方式测量钻孔效果关键参数并录入系统；5）爆破人员装药并进行爆破；6）测量人员使用三维激光扫描仪测量爆破断面，比较爆破断面与设计断面偏差并录入系统，计算爆破效果；7）系统自动分析和统计混凝土节超情况；8）根据钻孔效果、爆破效果、混凝土节超情况对设计方案、钻孔人员、班组进行考核和奖惩；9）对炮孔布置实施效果进行评价以及调整爆破参数。

结束语

综上所述，文章对隧道结构变形监测中三维激光扫描技术的应用进行研究，明确了控制点布设、点云拼接技术、数据去噪处理、点云抽稀、中轴线提取、曲面拟合等关键技术要点，并设计测量精度对比试验，验证了三维激光扫描技术测量精度符合隧道施工和运营期结构变形监测的要求。

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