CN107393006B - 一种衡量隧道整体变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衡量隧道整体变形的方法，包括以下步骤：步骤1，利用三维激光扫描仪扫描隧道获得点云数据；步骤2，对步骤1中的点云数据进行处理获得无偏差的三维点云数据；步骤3，在步骤2得到的三维点云数据中建立规则圆柱体模型；步骤4，计算每个三维点云数据到规则圆柱体模型表面的距离；步骤5，生成三维点云数据到规则圆柱体模型表面距离的分布格网化图；步骤6，计算两期隧道格网化图的差值，获得隧道的整体变形分布图。本发明能够进行多期监测数据的准确对比，能够精确获得隧道的整体形变，计算简单，可操作性强。

Description

一种衡量隧道整体变形的方法

技术领域

本发明涉及一种衡量隧道整体变形的方法，属于隧道工程技术领域。

背景技术

目前，地铁隧道、公路隧道、高铁隧道等隧道的监测主要采用的方法是利用全站仪、水准仪、收敛仪等传统监测仪器，通过布设监测点，设计观测方案，以及各种平差，获得点位坐标和点位变化信息，得到隧道的断面变形、收敛变形、水平位移、隧道沉降等方面的信息。但是它们都是基于单点采集三维坐标的方法，需要较长的观测时间，获得的点密度小，观测精度受到观测条件的影响较多，对于需要海量数据衡量隧道整体结构变形的描述不够全面。传统方法主要存在的问题有：

监测前期需要布置大量的监测点位，监测时也只能监测以上点位的变化，对于其他位置的隧道变形无法获得；

传统监测手段受到仪器性能和监测方法的限制，各个监测项目分开进行，使得监测推进缓慢，隧道监测只能车辆停运或者车流量小的时间进行，比如监测地铁只能在地铁停运以后的3~4小时内进行，监测一段隧道将需要很长时间才能完成，使得传统监测方法无法及时获得隧道的变形；

传统监测方法只能监测布置监测点部分的隧道变化，无法获得隧道的整体变化，这对于衡量隧道安全来说是十分不利的。

三维激光扫描技术是继GPS之后测绘史上又一突破性革新，三维激光扫描仪能够对空间场景进行精细的扫描，获取三维激光点云进行三维建模，可以对点云数据进行多种后处理，比如计量、分析、测绘、监测、展示等。采集的数据量更多，采集的数据特征点更全面，采集速度也更快。三维激光扫描技术成熟，将三维激光扫描技术应用于隧道监测已经成为国内外研究的热点，能够提高监测效率，能够获得隧道的整体变形。三维激光扫描仪监测隧道变形最关键的技术是如何确定隧道的形变，目前，衡量隧道变形主要采用的方法是：先提取隧道点云中的断面信息和收敛信息等，然后通过传统的评价方法确定隧道变形情况。提取断面或收敛信息主要有两种方案：

提取中轴线，截取垂直中轴线方向隧道的断面点云，然后将点云进行拟合获得断面和收敛信息；

先将隧道点云进行三维建模，获得隧道三维模型，然后截取模型断面作为断面或收敛信息。以上方案存在以下问题：

当采用先截取点云再进行点云拟合时，存在拟合误差，当采用先建模再截取断面时，存在建模误差，这对于变形量值很小的隧道来说是十分不利的；

隧道变形分析至少需要两期数据的对比，与传统数据采集方法不同，激光扫描仪扫描隧道时不需要安置固定监测点，使得采用传统分析方法提取断面或收敛信息时，两期数据位置不能保证完全相同，这使得衡量隧道变形时存在很大偏差。

针对三维激光扫描技术应用于隧道监测这一课题，上海地铁、上海岩土、南京地铁、武汉大学等单位都进行了研究，在布站方案、点云滤波等方面都具有很好的精度，但是，目前的研究者都采用了传统单点采集监测点时提取断面信息和收敛信息作为评价指标的模型。三维激光扫描仪经扫描得到目标物大量的表面点空间坐标，是高密度离散的三维数据点集，仅采用传统衡量隧道变形的分析方法评价隧道变形是不合理的。现阶段主要存在的问题是衡量隧道变形的方法精度较低，设法提高隧道变形分析的精度具有重要的意义。为了提高三维激光扫描技术应用于隧道监测的精度和实用性，改变现有分析方法的不足，本发明以正在实施监测的南京地铁2号线保护区监测项目为依托，跳出传统评价隧道变形的指标，根据点云特点提出一种新的衡量隧道变形的整体分析方法，该方法减少了中间误差，能够对多期数据准确定位，能够获得直观的隧道变形结果显示。本发明的研究将为分析隧道结构形变提供参考，为应用三维激光扫描技术提供支撑，为衡量隧道变形提供新的评价方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种衡量隧道整体变形的方法，该方法减少不必要的中间环节，能够进行多期监测数据的准确对比，能够精确获得隧道的整体形变，计算简单，可操作性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种衡量隧道整体变形的方法，包括以下步骤：

步骤1，扫描隧道获得点云数据；

步骤2，对步骤1中的点云数据进行处理获得无偏差的三维点云数据；

步骤3，在步骤2得到的三维点云数据中建立规则圆柱体模型；

步骤4，计算每个三维点云数据到规则圆柱体模型表面的距离；

步骤5，生成三维点云数据到规则圆柱体模型表面距离的分布格网化图；

步骤6，利用步骤 1~5得到两期或多期隧道扫描数据的格网化图，再将各期的格网化图与首期的格网化图进行差值计算，获得隧道的整体变形量值分布图。

步骤1所用的扫描仪器为三维激光扫描仪。

步骤2中的点云数据处理方法包括配准、修剪、修补和滤波等操作，获得高精度的三维点云数据。

所述规则圆柱体模型的圆柱体中心与隧道中轴线重合，圆柱体的半径小于所述三维点云数据的点云隧道内径，圆柱体的长度大于隧道中轴线的长度。

由于隧道结构一般为规则圆形或近似圆形，经扫描后获得有三维坐标的点云组合成规则圆形或近似圆形的隧道点云数据；在以上点云所在坐标系中计算所有点云到圆柱体的距离，由于所有隧道点云三维坐标已知，故可以通过公式直接计算隧道点云到圆柱体表面的垂直距离。

将所有隧道点云依据其在圆柱体中的相对位置展开成平面，并利用格网化方法将所有隧道点云到圆柱体表面距离的数值按照一定网格大小进行格网化，生成格网化图，在格网化图中可看出隧道点云到圆柱体表面距离值的大小分布。

本发明在利用三维激光扫描技术监测隧道变形时，根据点云特征提出一种新的衡量隧道整体变形的方法，该方法减少不必要的中间环节，能够进行多期监测数据的准确对比，能够获得隧道的整体形变，计算简单，本发明的研究将为衡量隧道变形提供新的思路，也为应用隧道点云分析实际问题提供新的参考。

本发明的研究内容改变了评价隧道变形的传统分析方法，建立了新的评价隧道变形的技术方法。改变了传统方法中将隧道切片研究的思路，将隧道作为一个整体分析研究，该方法能够全方位衡量隧道变形情况，减少了不必要的建模和拟合等中间环节误差，保证了多期隧道变形的准确定位和准确对比，而且具有高精度的特点，实际上操作简单，以上特征对于变形量值小的隧道监测来说是十分重要的。本发明的研究成果将为研究隧道变形和衡量隧道变形评价方法提供新的思路，为三维激光扫描技术在隧道中的实际应用提供良好的基础。

具体实施方式

下面对本发明作更进一步的说明。

本实施例采用理论研究与实验相结合的方法；在掌握各种现有的隧道监测方法、隧道变形分析理论、点云处理方法、点云建模方法、数据处理理论、格网化方法研究的基础上，确定总体控制方案，做好隧道扫描实验，保证采集数据的有效性和针对性，并对采集的数据质量评价分析，择优选择。然后选择有效的理论模型进行仿真分析，筛选出效果好的模型和方法，进行严密的过程实验和对比实验，确保研究的科学性和准确性，及时反馈相关技术参数，保证实验的合理性和有效性。

本实施例还采用了对比分析的方法；由于本实施例的研究内容首次被提出，并没有相关的研究成果可以参考，为了保证研究的有效性，在每一过程都需要进行对比实验，以筛选出合适的参数和方法，并判断各个过程采用的方案是否合理有效，直至实验完成。

技术路线与试验方案：

本实施例的技术方案主要包括：

以正在实施监测的南京地铁2号线保护区监测项目为依托，利用实验室提供的FARO Focus 3D地面三维激光扫描仪、Leica TM30测量机器人等先进仪器，通过设计合理的监测方案进行多期的地铁隧道监测扫描实验，并利用RealWorks Survey、Geomagic Studio12、Imageware等专业的点云处理软件对隧道点云进行滤波、配准、修剪等操作，获得合适的点云数据；

先利用Imageware等软件转换点云数据格式、然后利用AutoCAD、3DMAX等软件配合二次开发软件VC++等，在隧道点云中插入规则圆柱体模型，并使隧道中轴线与圆柱体中心重合；隧道建造时由于受不同开挖方式的影响以及隧道运营期受复杂外界因素的影响，使得隧道结构一般为非规则圆形结构，经激光扫描后获得有三维坐标的非规则圆形隧道点云。本实施例的重要一步就是在该点云坐标系中新建一规则圆柱体，要求该圆柱体中心与隧道中轴线重合，圆柱体的半径小于点云隧道内径；

利用MATLAB、VC++等编程软件实现点云与圆柱体距离的计算，由于点云数据量大，在编程方法和存储运行等方面存在一定的难度；在上述坐标系中计算所有隧道点云到圆柱体的距离，由于点云三维坐标已知，可以通过相关公式直接计算点云到圆柱体表面的垂直距离；

利用SURFER等软件配合二次开发软件OpenGL等，对点云距离值进行格网化处理，着重研究格网化方法和网格大小的选择对处理结果的影响，最后选择合适的量化指标进行评价；将所有点云依据其在圆柱体中的相对位置展开成平面，并利用格网化方法将所有点云到圆柱体距离的数值按照一定网格大小进行格网化，生成格网化图。在格网化图中可以看出点云到圆柱体距离值的大小分布；

利用相关软件和方法实现各期点云格网化数值的对比分析，生成准确直观的隧道整体变形图。利用上述方法得到两期或多期观测数据的格网化图，再将各期的格网化图与首期或上期的格网化图进行差值计算，获得隧道的整体变化分布图。理论情况下，在两次网格大小和格网化方法相同的情况下，两期格网化数值相同，实际上因为隧道的变形，格网数值发生变化，将两次格网数值作差就得到隧道的整体变化情况。从中可以得到隧道变形量值的大小和整体变形分布图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种衡量隧道整体变形的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，扫描隧道获得点云数据；

步骤2，对步骤1中的点云数据进行处理获得无偏差的三维点云数据；

步骤3，在步骤2得到的三维点云数据中建立规则圆柱体模型，具体为：在步骤2得到的三维点云数据中插入规则圆柱体模型，并使隧道中轴线与圆柱体中心重合；

步骤4，计算每个三维点云数据到规则圆柱体模型表面的距离；

步骤5，生成三维点云数据到规则圆柱体模型表面距离的分布格网化图；

步骤6，利用步骤 1~5得到两期或多期隧道扫描数据的格网化图，再将各期的格网化图与首期或上一期的格网化图进行差值计算，获得隧道的整体变形量值分布图；

所述规则圆柱体模型的圆柱体中心与观测隧道的中轴线重合或平行，圆柱体的半径小于所述三维点云数据的点云隧道内径，圆柱体的长度大于隧道中轴线的长度。

2.根据权利要求1所述的一种衡量隧道整体变形的方法，其特征在于：步骤1所用的扫描仪器为三维激光扫描仪。

3.根据权利要求1所述的一种衡量隧道整体变形的方法，其特征在于：步骤2中的点云数据处理方法包括配准、修剪、修补和滤波，获得高精度的三维点云数据。

4.根据权利要求1所述的一种衡量隧道整体变形的方法，其特征在于：由于隧道结构一般为规则圆形或近似圆形，经扫描后获得有三维坐标的点云组合成规则圆形或近似圆形的隧道点云数据；在以上点云所在坐标系中计算所有点云到圆柱体的距离，由于所有隧道点云三维坐标已知，故可以通过公式直接计算隧道点云到圆柱体表面的垂直距离。

5.根据权利要求4所述的一种衡量隧道整体变形的方法，其特征在于：将所有隧道点云依据其在圆柱体中的相对位置展开成平面，并利用格网化方法将所有隧道点云到圆柱体表面距离的数值按照一定网格大小进行格网化，生成格网化图，在格网化图中可看出隧道点云到圆柱体表面距离值的大小分布。