基于移动激光扫描三维点云的隧道限界检测方法可行性研究

李文刚 刘永华 王璐石

招商局重庆交通科研设计院有限公司 重庆 400060

隧道限界的形成是为了保证隧道内的交通可以正常运行，保障在一定的宽度和高度范围内没有障碍物的空间限界，让车辆以最安全的姿态运行。这种限界为机车提供了运行所需的空间尺度。在我国，由于轨道交通建设日益发展，隧道的建设和运行也逐渐增多，隧道限界这一重要指标也需要在隧道的日常运行维护中使用。隧道限界检测最常用的方法是断面检测法，有接触式和非接触式两种。最开始时采用接触式测量，通过车上装置带有传感器的框架对移动信号转换为电信号，绘制出带有横断面和终端面的图像。这种设备造价低廉，测量精度低，而且速度慢。后来经过不断发展，形成了更加精准的隧道限界测量方式。

1 隧道限界的检测方法

隧道限界的检测方法有多种，不过这些方法都有一定的局限性，并不能完全满足轨道限界检测的要求。如近景摄影测量采用定向拍摄的方式，将测得的数据进行影像匹配，如此能够快速获得隧道的三维模型，只是这种测量方法需要较高的光线需求，而隧道中的光线较差，让此方法受到限制；全站仪配合反射棱镜可以对隧道横截面进行单点测量，但需要大量的人工作业而且速度很慢，采集的密度低；激光诉调断面仪能够直接获取隧道断面，但每次都只能获得一个断面，需要多次架站才能获得完整数据，这对长度较长的隧道而言耗费过多测量时间；隧道限界检测车隧道横断面的获取速度较快，但造价过高，不能大量投入使用。

三维激光技术的提出，和以往的隧道限界测量方法相比有以下优点[1]：能够适应环境，不需过高的光线；数字特征，可直接获得三维点坐标；扫描的距离长，耗时短，造价适中；可提供高精度、高密度的扫描测量，快速获得测量数据等。

2 三维激光扫描技术的原理

在用三维激光扫描技术对隧道限界进行测量时，采用专门的设备，即三维激光扫描仪对隧道进行实地测量。这种仪器在隧道中进行相关数据样本的采集，结合相关软件对这些样本数据进行预处理和分析，形成一定的参数和影像，最后根据高效智能数据分析软件进行分析，得到有用的坐标和数据。其具体流程是：首先进行数据采集，通过地面三维扫描仪进行三维扫描，控制点的数量并设置控制点标靶；其次对所采集数据进行分析处理，运用点云数据处理软件进行分析，通过对所测数据点云进行去噪处理，转成绝对坐标；最后利用隧道限界检测软件分析，通过设置隧道共层参数，提取隧道断面，分析并总结限界检测报告。

3 激光扫描的点云数据采集和处理

在对隧道限界的测量过程中，每个测量工程都要有足够的采样点，应该保证两个以上的控制点，并在测量中获取相应的控制点坐标。在隧道控制点上方架设大靶球，整平队中控制点，便于获得其中心点坐标，利于软件在数据分析中实行坐标的转换。测量的方案一定要遵循国标城市轨道交通工程测量规范[2]。

对隧道用水安慰激光扫描仪进行扫描，设置相应的分辨率和扫描间隔。例如隧道的直径是5.2米时，扫描的间隔距离最好是15米，扫描分辨率设为1/4。另外，可在每两个扫描仪之间摆设多个不共线的靶球，这样扫描仪在扫描的过程中也能够将这些靶球的数据扫描下来，在后续数据分析中进行数据拼接，利于坐标的分析。

当扫描完成后可以采集到点云数据，同时将扫描到的多个靶球点云数据用专业的点云数据处理软件进行拼接，这样就保证了点云数据的精确性。此时，处理后的点云数据为相对坐标，提取两个以上的大靶球中心点坐标对，用数据处理软件进行计算处理，得到点云坐标系到大地坐标系的转换参数，这样就能够将点云坐标转换为大地坐标，点云数据的预处理也得到完成。

4 对隧道限界检测后的分析

隧道限界测量的分析在不同的应用中有着不同的分析要求。在用隧道限界检测软件对隧道横面数据提取时，可以提取相应的特征数据。如提取横面上八等分的特征点数据，即左上点、左中点、左下点、右上点、右中点、右下点、顶板底标高和地板顶标高。

根据相关资料，截面控制的基础是隧道中心线，中心线的数据精度十分重要，会对后期分析点云数据时产生直接影响。首先，要获得隧道中心线基础数据，及隧道的平曲线和竖曲线数据。平曲线指直线转弯处相连的曲线；竖曲线指在纵断面上链接相邻两条纵坡线香蕉转折处的曲线。其次，通过隧道限界处理软件对平曲线和竖曲线进行解读，分析并计算出相关参数，最后得到精确的隧道中心曲线线路视图[3]。

当得到隧道中心线后，可用隧道限界处理软件对店面控制点进行设置，以应对不同的项目分析需求。进一步生产隧道中心线数据，能够对截面位置进行设置。根据实际需求，可以对点云界面裁切厚度、里程范围、隧道属性等进行设置。

当软件对数据进行处理分析完成后，还可对分析结果输出成专业的表格，其中包含坐标、位置、里程、线路中心线距离、顶板底标高、底板顶标高等。另外，还可根据输出的表格数据，直观地统计出左侧宽度差、右侧宽度差、总宽度差以及误差的差值等。

5 结束语

隧道的限界测定对运行安全有着重要的意义，如何能够更精准有效地测量虽小限界，这给隧道的检测、监测、维护管理都带来了可靠的检测分析手段。而激光扫描点云测定技术的实行，能够通过地面三维激光扫描仪，结合相应的激光点云处理软件和隧道限界分析处理软件，对扫描得到的三维点云数据进行分析计算，生成隧道中心线和断面分析，甚至可以生产附带各种数据的表格。如果能够将这项技术应用到后续的隧道模型构建和隧道挖掘等实际工作中，将会给交通建设带来更大的福利。

参考文献

[1] 滕志远.大数据量机载激光点云快速浏览技术研究[D].北京:首都师范大学,2011.

[2] GB50308-2008.城市轨道交通工程测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3] 秦至红,宁升安,龙兆春.BJSD-2型激光限界检测仪在隧道施工检测中的应用[J].铁道勘察,2002,28(3):43-44.