基于三维激光扫描的铁路隧道净空断面测量

2021-07-19周世明

铁道勘察 2021年3期

周世明

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

目前,受施工环境的影响,隧道测量主要使用全站仪进行,测量人员需要在昏暗、密闭、潮湿的环境中长时间作业,存在劳动条件差、工作时间长、费用高等缺点,已经不能适应当前铁路工程建设要求,如何快速测绘隧道净空断面是测量工程师必须面对的问题。已有许多学者开展了相关研究,杨赫提出基于CCD图像采集和处理的高速铁路隧道限界检测方案[1];许学良等提出一种移动三维激光扫描方案,并用于隧道变形监测[2]。然而,对施工阶段的隧道限界检测及贯通误差的调整研究相对较少,故进一步开展该方面的技术方案研究很有必要。

1 三维激光扫描技术

三维激光扫描作为一种非接触式主动测量技术,可实现三维空间数据的高密度、大面积采集,在隧道变形、边坡检测、高精度DTM构建等工程领域都有成功应用。为实现隧道内部表面的全面、快速测量,并根据需要提取隧道净空断面[3],提出一种基于点云数据的隧道净空断面提取方法,并开发相应软件系统,力求解决隧道净空断面的快速高精度测量问题。

基于三维激光扫描的铁路净空断面测量包括设备选取、资料准备、标靶布设、扫描站点选择、数据采集、测站数据拼接、点云配准、数据坐标转换、数据抽稀等步骤,根据需要提取指定断面[4]。完成净空断面测量的两个关键为如何获取位置正确的拼接点云,以及如何从点云中快速准确提取所需隧道净空断面。以下通过工程实例进行详细介绍。

改建铁路重庆至贵阳扩能改造工程,设计目标速度值为200km/h,区间设计线间距为4.4m。某铁路双线隧道全长约4.7km,在施工贯通复测时,发现该隧道的贯通误差为600mm左右,根据相关施工技术规程要求其允许误差≤130mm,该隧道贯通误差不满足设计要求[5]。经评估,需在贯通点附近200m范围内将对隧道的衬砌拆除重建。为避免隧道衬砌拆除或减少拆除重建长度,需获取该隧道的海量测量数据,进行质量评价及中线线位调整。根据测量方案,在进行该隧道的检测时需测量约900余个断面,若采用常规全站仪进行测量工作,需要近1个月才能完成测量任务。由于该项目处于全线铺轨阶段,工期短、施工干扰大,决定采用三维激光扫方法进行该隧道净空断面测量工作。

2 准备资料

2.1 设计资料

(1)在开展工作前,收集该隧道的既有测量控制网资料,包括控制点是否保留完好,控制网等级、平面坐标系统、高程系统等。

(2)收集并熟悉隧道的设计施工图资料,包括线路平面、纵断面资料,隧道建筑限界和轮廓图等。根据项目设计技术标准,隧道限界采用KH-200建筑限界,其标准设计断面见图1。

图1 隧道设计轮廓线及建筑限界(单位:cm)

(3)以左线为设计依据,对各特征点位对应左线线路中心线的高差和偏距值进行计算,确定隧道净空断面特征点相应设计数据[6],其标准设计限界高差及偏距见表1。

表1 标准设计限界高差及偏距 mm

2.2 标靶控制网

在开展扫描测量工作前,需在隧道内布设若干标靶,标靶均布设于每站扫描范围的两端。

由于本项目隧道已经施工进入铺轨阶段,隧道中线两侧已建成CPⅢ轨道控制网,在扫描测量时将CPⅢ轨道控制点作为标靶点,不再单独设置其他的标靶点。

3 获取精确点云

3.1 仪器选择

主要考虑测距范围、测距精度、激光发射频率、角度分辨率及抗干扰能力等参数,以及仪器配套软件的易用程度等。

3.2 外业测量

(1)标靶布设

利用隧道既有的CPⅢ测量控制网,将测量标靶占标置于CPⅢ控制点上,在扫描测量及点云数据处理时保证CPⅢ控制点的分布满足测量和拼接要求。

(2)扫描站点选择

为保障相邻测站数据拼接与坐标转换,两个测站间需保证至少有2个公共标靶,且标靶置于已有控制点上,并尽量以少测站数覆盖扫描区域。

在确定扫描站点间距时,首先,考虑阴暗的作业环境,设定仪器对8%反射率物体的测量距离为上限,再根据扫描仪高度、隧道净空断面以及隧道中线曲线半径,确定扫描光束不被遮挡的距离,再取两者下限;其次,考虑控制点布设情况,如果控制点不满足要求,则考虑加密控制点[7]。

(3)数据采集

标靶扫描时,将三维激光扫描仪架设在预定位置后,首先,对测站前后的两对标靶点进行扫描,以确定标靶在该测站坐标系统中的位置[8];标靶扫描完成之后,再开始对整个隧道扫描,扫描仪器的分辨率为6mm。

(4)注意事项

实际工作场景中,会出现一些特殊情况影响数据采集效果,应针对实际情况进行分析,并进行补充测量,以免影响数据的正确性和准确度。如隧道两侧堆放有水泥盖板等杂物,影响采集断面的形状;隧道中心水沟被道砟所覆盖,隧道净空断面不能反映中心水沟位置;接触网杆在隧道净空断面中未能显示等。

3.3 数据内业处理

(1)相邻测站数据拼接

三维激光扫描仪工作时,各个测站分别建立相对独立的三维坐标系统(SOCS),由于这些数据是离散的点云数据,在多个测站的三维扫描测量中,对不同测站扫描点云数据需要进行三维坐标的转换,并通过旋转及平移矩阵参数使相邻测站数据拼接并使所有数据融入在统一的三维坐标系统中[9]。

完成拼接后,对拼接精度进行统计分析,查看每个标靶的三维坐标值残差,并统计残差的最大、最小值,计算平面误差、高程误差的中误差,据此判定扫描及拼接精度是否满足隧道净空断面测量的精度要求,多测站三维点云数据拼接成果见图2。

图2 多测站三维点云数据拼接成果

(2)点云配准

在三维扫描测量中,存在仪器设备系统误差、周围环境条件(如粉尘)、测站点平面高程精度等因素的影响,将产生一定的扫描测量误差,多测站数据拼接后,相邻标靶拼接的两站点云数据有一定的误差,搭接公共部分必然会存在一定的偏差。此时,在点云数据处理时,需要对各测站扫描数据拼接和相邻两测站点云数据进行点云精确配准。

(3)坐标系转换

三维激光扫描仪在获取点云数据之后,由于其坐标系统是独立的自由坐标系统,而不是大地坐标系或独立工程坐标系,故需将扫描仪器自带的扫描坐标系统转换为项目所需要的独立工程坐标系,才能在实际工程中应用。由于标靶直接安置于控制点上,标靶中心坐标是隧道所处独立工程坐标系的坐标,根据标靶自由坐标与独立工程坐标系对应关系,可推导出自由坐标系统转换至独立工程坐标系统的转换参数,利用所得参数,即可三维扫描坐标系统转换成项目独立工程坐标系统[10]。

坐标转换时,导入控制点,进行多测站平差计算,计算完成后应先进行坐标精度分析,计算各标靶的坐标残差,统计坐标转换为平面中误差、高程中误差,再分析其是否满足净空断面测量的精度要求。

(4)三维扫描数据抽稀与输出

对不同测站扫描点云数据进行三维坐标的转换完成后,形成的数据量非常巨大,点的密度高,在进行工程数据提取时若数据量太大,算计处理速度慢、效率低,在实际工作中点间距离满足需要即可。因此,在保证工程精度的要求下对点云数据进行抽稀处理,最后将抽稀的数据输出进行断面采集工作。在本项目中,进行了多种点云的点间距离抽稀的测试,经统计,按照每5cm的间距抽稀,即可满足测量要求[11]。

4 净空断面自动快速提取

商用三维激光扫描仪配套通用软件一般包含数据导入导出、拼接、分割、去噪、测量、建模、模型编辑、动画创作、等高线绘制等基本功能,但并不能满足铁路隧道净空断面的快速准确测量、快速质量评价的需要,项目开展前,组织技术人员进行算法研究,单独开发相应的处理模块。大体流程为:首先,对点云进行重组,以便快速检索;然后,根据隧道中线获得待提取断面,利用该断面方程对附近的点云切片;最后,对切片点云进行按方位分块,构建TIN,在内插得到断面线等。由此开发出“隧道点云数据处理及断面提取软件”。下面给出该软件实现断面提取的过程。

(1)数据分块

尽管已经对隧道三维扫描数据进行抽稀处理,但数据量仍然比较大,该软件仍然无法直接进行断面采集工作,因此,须使用该软件根据设计线位再将其按照1m间距进行分块处理。

(2)断面数据采集

点云数据分块完成后,便可进行隧道净空断面的采集工作。数据采集时,完成点云切片、TIN构建、临近点选择的相关设置后,根据需要导入需要提取的断面里程,或自行输入断面里程,即可完成相应里程的断面提取[12],隧道净空断面软件采集界面如图3所示。

图3 隧道净空断面采集界面

隧道净空断面采集时,以隧道参考设计左线中心线为依据,并在断面图上标出断面里程、中心线位置和轨面高程。根据隧道净空断面表,贯通点处的横向贯通误差达628mm,超限值达到约500mm,通过对该隧道的三维扫描测量,对贯通点隧道净空断面数据提取分析,贯通误差与实测值相吻合。

(3)隧道净空断面记录表生成

采用 “隧道点云数据处理及断面提取软件”实现了“隧道净空断面记录表自动生成”功能。并根据设计断面轮廓尺寸数据以及与设计轨面高差、左线设计偏距、右线设计偏距等,布设测点断面,自动生成隧道净空断面限界,隧道净空断面特征点记录见表2。

表2 隧道净空断面特征点测量记录

(4)建立铁路隧道三维模型数据库

在运营中,三维模型数据库可以作为信息化管理的基础数据,用于指导该隧道的变形监测、防灾减灾等工作[13]。

5 隧道净空断面数据应用

在该隧道段,曲线位于隧道中部,其曲线要素为:αy=32°26′,R=9000m,l0=70m;根据铁路线路设计规范的要求,该隧道中线调整后,其曲线要素变更为:αy=32°26′,R=9003.5m,l0=70m,进一步检查隧道净空限界满足铁路隧道设计规范要求。通过隧道中线调整,消除了贯通误差[14-15]。线路平面调线示意见图4。