基于移动激光扫描点云的地铁隧道限界测量及应用研究_乔相飞.pdf

2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:乔相飞，王智 基于移动激光扫描点云的地铁隧道限界测量及应用研究 J 城市勘测，2023(1):136139文章编号:16728262(2023)0113604中图分类号:P258文献标识码:B基于移动激光扫描点云的地铁隧道限界测量及应用研究乔相飞1，2*，王智1，2*收稿日期:20220504作者简介:乔相飞(1979)，女，高级工程师，注册测绘师，主要研究方向为工程测量以及测绘生产管理。Email:grooveboy 126com(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛266032;2.青岛市地下空间地理信息工程研究中心，山东 青岛266032)摘要:地铁隧道在长期运营后，由于受各种不均匀的外力影响，地铁隧道空间结构会发生变形，需要定期对隧道空间结构进行限界测量，以评估隧道当前空间形态是否满足行车安全要求。传统限界测量主要采用全站仪或架站式扫描仪，全站仪采集点位数量少、效率低，架站式扫描仪数据冗余度大，处理工作量大。研究基于移动激光扫描点云的地铁隧道限界测量检测方法，通过系统自动行驶，快速均匀地获取地铁隧道激光点云，并基于行进距离及设计等信息匹配程，从而分析相应里程的限界情况，以青岛地铁 2 号线为例，介绍了基于移动激光扫描系统在地铁隧道限界测量中的应用情况，为地铁运营期的隧道健康维护提供借鉴参考经验。关键词:地铁隧道;点云;限界测量;激光扫描1引言地铁隧道限界测量是指测量隧道的空间尺寸等信息，并与设计对比，以判断隧道是否满足相关设计要求和行车安全要求1。在地铁的建设阶段和运营阶段，都需要做限界测量，建设阶段的限界测量工作是在二衬施工后进行，测量结果作为后续调线调坡的依据2;运营期的限界测量主要是在地铁停运的后半夜进行，测量结果作为地铁隧道安全评估的重要指标3。本文主要讨论运营期的地铁隧道限界测量，传统方法主要是采用全站仪或是采用架站式扫描仪作业，全站仪只能采集隧道内有限的特征点，成果难以全面、直观地反映隧道空间形态变化情况，架站式扫描仪虽可以采集海量点云，但是点云拼接工作量大，数据冗余度高。研究采用基于轨道自动行进的隧道移动扫描系统来获取隧道海量点云，并基于点云分析隧道限界情况，介绍数据采集、处理的工作流程和关键技术，可为类似工程提供借鉴参考。2隧道点云采集及预处理2.1外业数据采集隧道移动扫描系统是近些年在高铁、地铁检测领域逐渐发展起来的一种新型数据采集设备4，其硬件主要由移动小车和三维激光扫描仪两大部分组成，移动小车借助于轨道可以在隧道里行驶，可以人工手推前进，也可以通过遥控电动前进5，其主要由车体硬件、控制模块、里程计等传感器构成6，三维激光扫描仪通过固定支架与移动小车相连接。如图 1 所示，是在青岛地铁运营期使用的隧道移动扫描系统，其借助于内置电动控制程序可自动行驶，速度可根据项目需要设置成多个档位，其上搭载的是徕卡 P40 三维激光扫描仪。图 1隧道移动扫描系统硬件外观图系统在隧道数据采集的作业流程图如图 2 所示。图 2数据采集作业流程图在隧道内正式数据采集前，需要对系统硬件组装，包括车体主要部件的安装与检查，以及车体与扫描仪的安装，运行前需要将扫描仪顶部的手柄拆卸下来，以便于能够在作业过程中采集到隧道顶部的点云数据7。组装完成后，新建工程，设置参数，主要包括行进第 1 期乔相飞，王智.基于移动激光扫描点云的地铁隧道限界测量及应用研究方向是大里程还是小里程、小车行进的速度以及扫描仪的扫描频率，在给定的条件下，小车行驶速度越慢，扫描频率越高8，则系统获取的激光点云密度越大，质量也越高，但后处理时间也越长9，实际作业过程中应根据项目需求，同时兼顾作业效率和数据质量。在系统沿着隧道行驶过程中，扫描仪底部与小车固定，从而在水平方向上无法旋转，扫描镜头在垂直于隧道轴线的方向上旋转，形成的一圈圈空间螺旋状点云相连接，即为隧道点云模型，相邻两圈点云的距离为10:d=vf(1)上式中，v 为隧道移动扫描系统的前进速度，单位为 m/s，f 为三维激光扫描仪的扫描频率，单位为 Hz。若车体以 1 m/s的速度行驶，扫频频率以徕卡 P40 扫描仪默认的 50 Hz进行设置，则沿着隧道每 1 m的隧道三维激光点云，是由 50 圈螺旋状的空间点云组成，即相邻两圈点云的空间距离为 2 cm。2.2点云预处理内业从扫描仪中拷贝点云数据后，首先要检查原始点云数据的数据完整性、质量情况，然后进行点云预处理，主要包括点云去噪、抽稀等操作。移动扫描三维点云模型如图 3 所示。图 3移动扫描三维点云模型点云去噪是去除原始点云中干扰物的过程，如因扫描过程中有物体经过而形成的空间漂浮点云，另外，为保证限界测量分析结果准确、可靠，隧道壁上的照明设备、螺栓孔、电缆等隧道设施，以及临时摆放的机械等等，都需要在分析前剔除掉，通常做法是以隧道半径设置阈值，将阈值以外的点云全部删除，仅保留隧道璧及阈值内的点云，该方法效率高，在实际处理中较为常用11;点云抽稀是降低原始点云密度的过程，这样点云数据较小，可以更快速地用于后处理分析应用。3限界测量数据处理及分析3.1里程匹配在限界分析之前，先需要匹配里程，即将原始点云赋予里程信息，这是后续分析的基础。通常该项工作是在正射影像图中标注、计算完成。正射影像图是隧道移动扫描成果的一种重要成果表现形式，其是将椭圆柱形的空间隧道结构，从底部中心线处展开，使之形成一个长条状的平面展开图，借助于隧道正射影像，可以直观地察看、辨别隧道的病害情况，如渗水、脱落、裂缝等。里程匹配一般是通过隧道壁上显著的里程标志，如百米桩，对管片进行里程标记，从而实现隧道点云里程与实际相符的效果，如图 4 所示，是青岛地铁 2 号线某区间移动扫描后的里程匹配局部图，图中 KP 表示每环中的楔形管片，0011 是管片的环号，环号下方的数字即为当前管片所在的里程位置，最下方的数字1.5 表示管片的宽度。图 4管片影像里程标记图在进行里程标记、匹配时需特别注意断链的情况，所谓断链，就是地铁在设计、建设过程中，因局部改线调整等原因，造成线路里程不连续的现象。在断链处采用新的里程，其他里程不变，仍采用老里程。通常将断链设置在直线段，并在断链处表明新、老里程及相互换算关系。断链具体分为长链和短链，凡里程断开并变小的叫长链，长链会出现桩号重叠的情况，即某段里程会重复出现两次，这时里程和三维坐标并不是一一对应关系;凡里程断开并变大的叫短链，短链则会出现桩号突然间断的情况。3.2断面数学模型的确定为了得到二维的限界测量分析结果，首先需要建立垂直于中轴线的隧道点云，根据运营期隧道限界测量的具体要求，沿着隧道中轴线每隔一定距离选取断面基准点，并以选取的基准点所在轴线上的切向量作为隧道点云横断面的法向量。令盾构隧道半径为，选取的隧道中轴线上某基准点为 K，以点 K 为中心所在垂直于中轴线的隧道点云厚度为 D，则隧道壁上的点云集 P 满足下式:(xpxk)2+(ypyk)2+(zpzk)22+D2()2(2)通过上述方法获取的点云集即为用于后续分析的断面点云，但是该点云集还是一团空间点云，无法用数学模型来表达，因此需要将获取的点云集投影至隧道中轴线的垂直面上，令中轴线上某点 Ki 所在的断面空731城市勘测2023 年 2 月间平面为 M，将厚度为 D 的空间点云沿着点 K 所在的中轴线切向量方向，向空间平面 M 投影12。通过上述方法获取的断面点云集虽然均位于平面M 上，因其是离散的位于隧道壁上，仍然无法用数学模型来表达，需要将这些离散点拟合成位于平面 M 上的空间椭圆，采用基于最小二乘的间接平差方法对平面M 上的点云集进行拟合计算。令点云集中各点的平面坐标为(xi，yi)(i=1，2，m)，椭圆的长半轴和短半轴为 a，b，椭圆中心坐标为(x，y)，则该椭圆方程的间接平差数学模型为:(xix)2a2+(yiy)2b2=1(3)误差方程为13:vi=(xix)2a2+(yiy)2b21(4)将误差方程线性化，并转换为间接平差的矩阵形式:V=BXL(5)根据最小二乘平差法则 VTV=min，计算X=(BTB)1BTl，利用公式(4)计算个点拟合椭圆的残差，根据实际精度情况设定去噪阈值，当残差大于阈值时，则将该点删除，使之不参与拟合计算。3.3限界分析限界是地铁运营后日常维护的一个重要指标，通常表现形式是隧道内一些主要空间特征点的尺寸，或是隧道内轮廓至车体的空间距离，若限界数据发生明显变化则会对隧道及行车安全产生影响。图 5基于车体的限界测量成果图如图 5 所示，是青岛地铁 2 号线的某类型盾构隧道限界测量成果要求示意图，图中 O1 是隧道中心，O2 是轨面与隧道中心线的交点，O3、O4 是隧道中心线与隧道顶部、底部的交点，a1、a2 是过 O2 的水平线与隧道壁两侧的交点，b1、b2 是位于 O2 上方 36 m处的水平线与隧道壁两侧的交点，图 5 中 A1、A2、B1、B2、H1 和 H2 即为限界测量成果所需的空间尺寸，为获得这些空间数据，导入隧道设计数据，如平曲线、竖曲线、超距、断链等信息，使之与上文中所解算的隧道空间形状进行匹配、套合，借助于相关软件，即可快速解算出相关空间尺寸，成果主要以记录这些空间数据的表格来表现。对于行车限界情况，将车体设计数据导入相关软件，即可快速获取隧道壁各个部位距离车体的空间距离，成果通常以断面图的形式表现，车体限界分析结果如图 6 所示。图 6基于车体的限界测量成果图4总结随着城市轨道交通的快速发展及运营线路的逐渐增加，日常运营维护的工作量也与日俱增，对隧道限界测量的作业效率和精度也提出了更高的要求。隧道移动三维激光扫描系统的出现，为隧道限界测量提供了全新的技术手段，其能够快速获取隧道海量点云数据，原始点云数据可作为地铁隧道日常运营维护的全息空间数字档案，基于空间点云模型能够有效地分析隧道限界等空间变形情况，成果表现形式丰富。将移动扫描点云预处理、里程匹配后，将其与设计数据对比，或将两期限界数据进行对比，即可得到限界的变化情况，为后续维护提供客观依据，与传统限界测量方法相比，同时兼顾了高效率和高质量的优点，为地铁运营期间的限界测量检测提供了更加高效、精确的测量方法。参考文献 1李珵，卢小平，朱宁宁等 基于激光点云的隧道断面连续提取与形变分析方法 J 测绘学报，2015，44(9):10561062 2王智，薛慧艳 三维激光扫描技术在异形建筑竣工测量中的应用 J 测绘通报，2018(7):149152 3吉文来，高俊强 地铁隧道限界测量中横断面确定的研究 J 现代测绘，2004，27(6):2223 4孟国强，郑锐 基于激光摄影测量方法的地铁限界检测系统研究 J 兰州交通大学学报，2013，32(4):59 5王智，吴超，王文娟等 基于 SLAM 技术的手持移动扫描仪在土石方测量中的应用研究 J 城市勘测，2021(4):104107831第 1 期乔相飞，王智.基于移动激光扫描点云的地铁隧道限界测量及应用研究 6琚俏俏，程效军，徐工 基于椭圆拟合的隧道点云去噪方法 J 工程勘察，2014，42(9):6972+81 7刘云峰，董燕，柳志云 基于移动三维激光扫描仪的地铁限界测量分析 J 软件，2019，40(2):116120 8赵亚波，王智 基于三维激光点云的钢结构变形分析 J 测绘通报，2021(5):155158 9王敏，冯晶，谢志海 利用三维激光扫描仪进行地铁隧道限界测量 J 测绘通报，2014(12):7881 10 王智，薛慧艳，孙迪等 基于视觉追踪技术的三维点云自动拼接方法及精度分析 J 测绘通报，2020(S1):164167 11 王凡平，匡志威，刘鹏程等 三维激光扫描仪在地铁限界测量中的应用 J 城市勘测，2020(3):117121 12 冯阳，陈长军，闫利等 一种基于半圆柱模型的隧道点云中轴线提取与滤波方法J 测绘地理信息，2021，46(3):5559 13