基于ArcGIS的隧道激光扫描影像专题制图

许正文(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)

基于ArcGIS的隧道激光扫描影像专题制图

许正文
(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)

传统隧道结构病害调查主要使用人工现场拍照巡检，存在信息量单一、人为因素影响大、容易漏检等缺点.激光扫描技术是一种新型快速检测技术，无需外部光源和辅助措施，可同步获取隧道结构变形和高分辨率影像数据.以隧道激光扫描影像为底图数据，利用ArcGIS软件的矢量化和专题图制作功能，实现了病害的判读识别与矢量化、附属设施设备分布的专题图.经近160 km的工程应用检验，认为该专题图能够满足隧道运营维护保障的需要.

隧道病害；激光扫描；专题制图

随着城市地铁建设的快速推进，大量隧道结构在竣工投入运营后，受施工质量、沿线地质条件及结构性能退化等综合因素的影响，尤其是轨道交通沿线大量建设工程的叠加影响，会出现不同程度的变形、漏水(泥)、衬砌裂损及混凝土掉块等病害.当隧道结构的病害趋于严重时，会影响其服役功能，甚至引发风险事件或事故.如何快速、及时、高效地发现隧道结构的病害，为隧道结构安全性评估、风险预控、维修决策提供准确的基础数据，是国内外普遍关注的热点问题[1].

本文利用ArcGIS软件制作了隧道激光扫描影像专题图，可应用于隧道内壁病害、设施设备的定量比较、统计分析和日常管理.

1 应用背景

三维激光扫描技术则可以同步获取几何变形和影像信息，可以针对隧道内的渗漏水(泥)、管片破损等表观病害进行量测和跟踪对比，收集隧道内壁的附属设施等其它有效信息等，能够更为全面直观地描述隧道病害现状.目前国内外已尝试基于激光影像开展特征提取或工程制图，但尚未研究基于专业制图软件开展隧道内壁外像的专题制图。例如宋妍[2]、杨林[3]等尝试使用激光扫描影像，制作隧道地质围岩信息、编制影像成果报告等；王泰典等[4]尝试对隧道衬砌裂缝的影像进行特征提取和数字化保存，应用于隧道病害的调查.

激光扫描影像为假彩色灰度影像，需经处理以增强判读的效果，如将黑白灰度颜色调整为与隧道混凝土颜色接近，或者经影像增强措施后突出显示渗漏水等典型病害.处理之后的反射率影像更接近人眼视觉效果，然后借助ArcGIS等测量专业软件进行点、线、面的矢量化判读，并最终根据业主要求完成隧道病害及附属设施的专题制图[5].

2 制作隧道激光扫描影像

对于实体的单圆盾构隧道而言，可将其抽象为一组标准的圆柱体，各圆柱体按照轴线方向有序拼接而成，从而将连续的隧道分解为单个规则的圆柱体模型.将各圆柱体侧面图按数学投影原理展开至平面，并保持其沿隧道轴线(里程)方向上的连续性，称之为“隧道断面的正射投影”.经平面旋转、坡度校正后，各圆柱体的侧面图展开为规则的矩形，将各连续矩形拼接形成连续的二维平面[6].圆柱体的展开、拼接示意图(见图1).

图1 单圆隧道按圆柱体展开示意图

图1所示的衬砌环进行逐环分段圆柱投影，投影后的X坐标为各点所在里程，Y坐标为圆柱投影弧长，其中：弧长l=α×R，α—竖直角，R—圆半径.

投影后的激光扫描点云数据插值所生成的灰度影像分辨率最高可达3 mm，也可精确求解隧道的水平弦长[7]等尺寸信息，具有精确的几何量测和病害信息判读功能.影像信息经处理后(见图2)，可快速经济的发布到单位局域网内部平台，方便日常监测项目的结构调查、内壁附属设施管理、应急抢险指挥等.

图2 三维激光扫描数据生成的隧道正射影像

3 激光扫描影像专题制图

隧道内壁的附着物表观特征存在一种先验知识，如常见的电缆、管道、道床、照明设施、表观病害痕迹等.三维激光扫描仪所采集的高质量空间坐标和激光反射率信息，经正射投影和插值解算处理后，即可提供可量测的隧道内壁正射影像.借助先验知识、隧道内壁影像及视觉增强工具，辨别影像与实际物体的对应关系，并用几何元素圈定范围和赋予属性代码，称之为隧道影像的解译.

隧道影像解译的主要要素包括：(1)大小.利用二维影像量取隧道内壁常见特征的真实尺寸信息；(2)形状.隧道内壁附着物在图像中会呈现出特殊的形状；(3)阴影.隧道内壁扫描时存在遮挡导致阴影；(4)颜色.反射率细节可辅助识别材质类型；(5)纹理.指与色调配合看上去平滑或粗糙的纹理的粗细程度；(6)图案，根据线缆等目标物有规律的排列而形成的图案；(7)位置及与周围的关系.根据(1)—(6)再加上各区域的地理特色及判读者的专业知识等，就可以确定解释的结果[8].

ArcGIS软件支持的常见几何特征包括点状、线状和面状等多类.一般隧道内壁附着物(病害信息)

可分为点状、线状和面状三类(见表1,图3).也可采用人工判读或计算机辅助判读等方法提取隧道内壁物的几何特征及属性信息.

表1 按点、线、面状分类的隧道内壁主要附着物

图3 点、线、面三类附着物提取示例

实际判读作业时，先将隧道内壁影像的像素灰度值设置为0或255，所有灰度大于或等于阈值的像素被判定属于特定物体，其灰度值为255，否则这些像素点被排除在物体区域以外，灰度值为0.

ArcGIS中影像二值化操作(见图4)，其中阈值需根据不同的影像情况进行调整，并非固定值.二值化后的隧道影像，渗水和湿迹等隧道病害情况被凸显出，而大量不需要的信息被过滤.

图4 ArcGIS图像二值化设置

二值化处理完毕后即可进行自动矢量化.ArcScan提供一套强大的、易于使用的栅格矢量化工具.用这些工具可以自己创建要素，也可以把栅格数据的一部分或全部矢量化成矢量要素.由于自动矢量化是ArcScan中的一个模块，因此若要使用该功能，首先需确保扩展模块中的ArcScan已被选中，并在工具条中勾选相关条目.矢量化后的图像仍存在一些非病害数据，需要人工判定并将其删除.

隧道正射影像经拼接后，其狭长的线性特征导致其难以保存为单一页面文件，需将其按照一定的分页要求制作为标准页面的图册.利用ArcGIS软件的带状地图册创建功能，可方便地按照环号或里程参数制作标准分幅的影像图(见图5).已采用三维激光扫描影像技术，为上海、南京、杭州、佛山等城市地铁制作近160 km的隧道扫描影像专题图，较好地满足了地铁业主单位在隧道运营维护保障方面的实际需求.

图5 按20环1页、A3横排幅面生成的隧道病害现状影像图集

4 结 论

本文将隧道病害根据几何特点分为点状、线状和面状病害三种，使用ArcGIS软件通过人工或半自动的方式从栅格影像中提取病害并保存为矢量格式，在此基础上添加结构病害、附属设施等属性信息，最后制作基于隧道激光扫描影像的病害专题图.该隧道影像专题制图成果可供隧道运营维护保障使用，也可进一步应用于隧道BIM建模、设施设备巡查等工作.

[1] 罗 鑫，夏才初.隧道病害分级的现状及问题[J].地下空间与工程学报，2006(5):877-880.

[2] 宋 妍,王晓琳,李 洋,等.三维激光扫描技术与数码影像地质编录系统隧道围岩信息采集应用对比研究[J].隧道建设，2013,33(3):197-202.

[3] 杨 林.数字影像地质编录系统的研究与开发[D].南京:河海大学，2003.

[4] 王泰典，林信宏，李佳翰，等.营运中隧道衬砌裂缝影像判释暨特征化与数字化技术[J].隧道建设，2010，30(S):100-108.

[5] 杨理臣,樊光洁.ArcGIS制图和空间分析基础实验教程[M].北京：测绘出版社，2011.

[6] 褚平进.基于三维激光扫描数据的单圆盾构隧道内壁影像生成算法[J].浙江水利水电学院学报，2016,28(1):58-62.

[7] 李家平.基于点云数据的单圆盾构隧道水平弦长检测[J].浙江水利水电学院学报，2015,27(4)：53-59.

[8] 关泽群，刘继琳.遥感图像解译[M].武汉：武汉大学出版社，2007.

Tunnel Laser Scan Image Thematic Map Based on ArcGIS

XU Zheng-wen
(Shanghai Geotechnical Investigation and Design Institute Co., Ltd, Shanghai 200438, China)

By the impact of construction quality, geological conditions in metro protection zone, metro tunnel defect is increasingly prominent. Subject to the scene light condition, personnel experience and operation time limit, traditional defect inspection mainly uses scene photograph by people to inspect, which may miss key information or serious disease and vary between different inspectors. Laser scanning technology is a new type of rapid detection technology, dispensing with external light source and auxiliary measures, and can be synchronized to obtain the tunnel structure deformation and high resolution image data. This paper completes the thematic map of the tunnel wall disease, facilities and equipment by using ArcGIS software and tunnel laser scan image data. 160 km engineering application proves that the thematic map can meet the needs of tunnel maintenance and protection.

tunnel defect; laser scan; thematic map

2016-09-10

上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目(201505-CM-C105-006)

许正文(1984-)，男，湖北随州人，硕士，工程师，主要从事激光扫描数据处理与工程应用.

P208

A

1008-536X(2017)02-0058-05