基于移动三维激光扫描的隧道结构监测方案研究与应用

张 琰，孔祥思，徐西桂

(建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

随着我国城镇化高速发展，城市规模不断扩大。地铁作为现代化的大型公共基础交通工具,展现了其安全、高效、绿色节能的巨大优势,成为解决城市交通拥堵的重要途径[1-2]。地铁长期运营过程中受各种因素的影响，导致结构性能发生退化。多种结构病害如隧道环片变形、裂缝、渗水等，这些病害如果不予以控制将严重危害列车的行车安全。为保证运营隧道的安全，需要对隧道结构的健康状况进行定期检测，为隧道结构状态评价及养护维修提供依据。

目前隧道结构检测主要困难有：地铁作业天窗点短；分类监测效率低、操作复杂、监测点不足；隧道空间狭小存在一定的安全隐患[3-4]。针对传统隧道结构监测的不足，本文提出了一种基于移动激光扫描的隧道结构监测解决方案。首先，利用2D断面扫描仪与轨道小车相结合，通过多传感器控制系统实现隧道三维点云数据获取；其次，通过自动分析软件对隧道结构进行各类病害提取与输出；最后，利用综合数据管理平台对隧道健康监测的成果进行管理与分析。该方案打破了传统监测手段诸多不足，不仅实现一次采集，多类型监测，提高了监测作业效率；而且利用数据管理平台对监测成果进行综合管理分析，为地铁运营的科学管理提供强大的数据支持和科学依据，是未来地铁运营监测与管理的新方向。

1 移动三维激光扫描系统

移动三维扫描技术发展迅速，测量效率、测量精度都有了大幅的提高，而该技术恰巧能解决目前隧道监测中测量作业时间短以及测量范围不足等问题[5-6]。本文采用武汉大学毛庆洲教授研发的移动测量系统，该系统以轨道小车为载体集成2D断面激光扫描仪、GNSS/IUM定位定姿系统和DMI(里程计)等多种传感器，通过计算机同步控制单元实现隧道三维信息的快速获取[7-8]。

1.1 系统硬件组成

本文采用的移动测量系统硬件构成主要有：2D断面扫描仪、GNSS接收器、惯性导航单元(IMU)、里程计(DMI)、微电脑控制单元、电源管理系统、铝合金轨道推车等，如图1所示。

图1 移动测量系统组成

2D断面扫描仪：该系统采用德国Z+F9012断面扫描仪，可实现在垂直于运动方向进行360°断面扫描采集。该扫描仪转速高达200转/s，可轻松实现每秒采集100万个点，每个扫描点包含该点相对扫描中心的距离值和角值信息。

GNSS接收机：轨道车推行过程中实时获取扫描仪的定位信息，对扫描仪进行精确定位，为获取的点云数据建立高精度的空间基准。

惯性测量单元(IMU):主要用于移动测量系统推行过程中实时测量扫描仪XYZ三个方向的瞬时加速度、瞬时角速度、调节和温度补偿,实现扫描仪姿态的实时获取，为后续数据计算提供依据。

里程计(DMI):通过测定计轴器旋转轴的角位移或角速度，可准确获取载体的里程、速度等信息，为隧道点云处理时里程修正提供参考依据。

微电脑控制单元:主要用于测量系统的各种传感器集成和同步控制，保证数据采集的时间和空间基准的统一性。

电源管理系统：为各种精密传感器、内置计算机、2D断面扫描仪提供电力供应和管理。

铝合金轨道推车：铝合金车架结合绝缘轮毂，通过定位孔将多种设备精密集成，既保证设备推行过程中精度需要，又避免了对铁轨的伤害。

1.2 同步控制系统

同步控制系统是该移动测量系统的指挥系统，推行过程中各种传感器某一时刻测量出来的数据需要统一的时间坐标关联起来，保证测量结果的可靠性[9]。为了减轻计算机的工作任务并提高系统的同步精度，移动测量系统通过一个时间同步控制器实现各传感器数据的同步记录。为了提高时间同步控制器的时间精度，将GNSS系统输出的时间信号和PPS信号引入至时间同步控制器，对时间同步控制器进行对时处理，如图2所示。

图2 同步控制系统

2 移动三维激光隧道结构监测方法

2.1 数据采集方式

移动式三维激光扫描仪与传统三维激光扫描仪不同，传统三维激光扫描仪通过激光发射器和机身同时旋转实现三维数据采集，移动式三维激光扫描仪采用2D断面扫描仪在垂直于小车前进方向做二维断面扫描，在推行空间上螺旋采集的方式进行空间三维数据获取[10-11]。采集的点云数据以激光发射中心为原点，以前进的方向为Y轴构成空间坐标系，获取隧道中海量线性点云数据。该扫描方式克服了站式扫描仪作业效率低、点云拼接繁琐的缺点，大大提高了隧道数据获取的效率，更加符合地铁隧道结构特点。移动三维激光扫描采集方式及获取的三维点云数据如图3所示。

图3 移动三维激光扫描采集方式和获取的点云数据

随着推行时间和里程的不断增加，可获取隧道结构大量点云数据。高密度点云可对隧道结构整体形态进行恢复，为隧道结构形变分析提供基础数据服务。

2.2 数据处理分析与成果输出

移动三维激光扫描获取的三维点云数据真实还原了隧道结构形态，如何通过海量的点云数据精确地提取隧道各项参数指标，是隧道结构监测核心。本文利用自动化三维点云处理软件，如图4所示，实现三维点云数据自动去燥配准、正射影像制作、工程切分、点云收敛分析、错台分析、渗漏水检测、裂缝检测等一系列内业数据处理与分析。

图4 三维点云处理软件界面

自动化三维点云处理软件将不同的监测成果分别按照不同类型和格式进行输出。下面针对不同成果的处理分析方法进行简要介绍：

数据配准：针对多种传感器测量数据的融合，将各传感器数据与三维点云进行配准，配准点云与轨道面的空间位置,为精确提取隧道断面提供保障。

正射影像制作：以特定步长的栅格对点云划分，将该栅格内点云的强度平均值作为该栅格的灰度值，实现点云栅格化,沿轨道中心线将灰度影像进行展开，获得隧道高清正射影像。

工程切分：为了减轻计算机压力，提高软件运行效率，针对隧道结构的特点对扫描数据以单个区间为节点进行切分，同时方便后期数据管理。

水平收敛分析：首先，自动识别技术识别环片拼接缝，进而确定环片的位置和宽度；其次，根据环片信息对所有环片进行逐环断面提取；最后，利用提取的断面点云对环片的椭圆度及水平直径进行测量。

错台分析：分别在距离环片接缝5 cm左右处相邻的两个环片上，各取一定宽度的点云数据，从而分别获取相邻环片的两个断面点云，将代表相邻环片形状的两个断面进行叠加分析，获取相邻环片的错台变化信息。

渗漏水及裂缝检测：通过图像自动识别方法，利用隧道高清正射影像图自动识别隧道内部的渗水、洇湿、裂缝等病害信息。并自动计算病害的位置及大小，以报表形式对病害信息进行统计。

自动化点云处理软件集成不同数据分析模块，轻松实现一次扫描数据多种监测需求。通过成果导出模块对各种监测成果自动批量导出，大大提高内业作业效率，部分成果类型如图5所示。

图5 移动三维激光扫描监测成果类型

3 监测数据综合管理平台

移动三维激光扫描监测系统，其成果丰富、效率高、数据量大。为了充分发挥监测成果的作用，更加全面地分析地铁隧道的结构健康状况。我院针对地铁监测业务需求研发一套强大的运营监测数据管理平台。该平台采用B/S架构设计，用户直接通过浏览器网页输入授权账号访问即可对监测数据进行管理，不仅实现了移动三维激光监测数据的管理分析，而且还集成了传统运营监测数据管理模块、地铁保护区监测模块及视频实时监控模块等。该平台在武汉、郑州、南京、苏州等多个城市得到应用，深受地铁运营管理单位的青睐。平台界面如图6所示。

图6 运营监测数据管理平台

数据管理平台对成果数据集中管理与分析，将多源监测成果进行综合对比，在空间和时间多个维度上分析隧道结构的变化状态，为管理者准确掌握隧道变化情况、科学做出预判，提供强大的支持。

4 工程项目应用与分析

本文以武汉工程项目为例，通过某区间数据成果分析说明方案在未来地铁运营监测中的巨大优势。

4.1 项目概况

武汉轨道交通2号线一期和4号线单线全长共计100 km，共有5万个环片。武汉2号线和4号线均为过江线路，承担了武汉绝大多数公交过江的客运量，对解决武汉市跨江交通难题，缓解武汉长江大桥、武汉长江二桥的交通压力有着重要意义。

本项目在不影响列车正常运营的情况下，采用文中解决方案50天内顺利完成所有外业采集和内业数据处理工作，且采集成果为逐环采集,比传统监测范围更加全面。在新的作业模式下，车载移动测量技术节省了4/5的人力资源，相同时间内可完成工作量至少为原来作业模式的10倍，实现隧道水平收敛、断面分析、错台分析、限界分析、病害调查等需多次上线才能完成的作业内容，上线一次即可全部解决。

4.2 成果分析

由于项目数据量较大，本文通过对随机选取的某一区间数据进行分析。该区间共计693环，为了验证设备稳定性，对该区间在同一时间内进行两次扫描，两次监测结果如图7所示。

图7 某区间监测结果

同时为了验证监测结果的可靠性，对该区间采用全站仪随机选取一定环片进行验证，三维激光扫描方法监测结果和全站仪监测结果对比情况如表1所示，将两种方法的水平收敛监测结果进行对比，其中均值为-2 mm。

表1 精度对比分析

通过实验结果可知项目两次监测结果吻合，全站仪验证精度可靠，随着项目不断开展，两条运营地铁线路采用本文方案仅两个月即实现全线的结构监测，大大提高了数据采集与处理的速度，而且监测成果精度完全满足地铁隧道监测业务需求，多期数据存档分析，为未来构建智慧地铁大数据管理提供良好数据积累。

5 结 论

本文基于移动三维激光扫描的隧道结构监测方案，积极采用新技术、新方法、创新思维。通过新兴移动三维激光扫描监测系统对隧道结构进行全面监测，结合数据管理平台对数据进行综合分析，构成一套科学全面的地铁运行监测方案，并通过项目验证方案的可行性及可靠性，为未来智慧地铁运行管理开拓了新方法、新思路。