【摘 要】隧（suì）道監控量測目的是通過對隧道淨空收斂和沉降觀測，進行（háng）數據分析（xī），優化隧道施工方案和（hé）設計，確定（dìng）合理的（de）安全步（bù）距和支護時間，保（bǎo）障隧（suì）道施工和工後（hòu）運營安全，雖然國內外對隧道（dào）監控量測工作十分重視，但目前監測水平與信息（xī）化（huà）施工要求還相差甚遠。本文基於三維激光掃描技術，提出（chū）隧道三維（wéi）激光掃描測量和數據可視化處（chù）理技術（shù），經（jīng）工程應（yīng）用和實（shí）踐，結果（guǒ）表明該技術可以實時、準確、全方位（wèi）獲取隧道空間變形（xíng）數據，進行隧道施工變形分析和反分析，對隧道施工進行風險預警預（yù）報（bào），指導隧道信息化施工，具有重要的工程應用價值。

　　【關鍵（jiàn）詞】激光掃描儀，監控量測，預（yù）警預報，信息化
　　1　引言
　　隧道監控量測必測項目常采用水準儀、鋼掛尺、收斂計和（hé）全（quán）站儀等進（jìn）行測量，但水準儀、鋼掛尺、收斂計等（děng）由於測量精度不（bú）高，受隧道施工影響較大，易造成（chéng）施工阻礙，數據存（cún）儲、傳輸、處（chù）理、分析等工作量大，工程應用不便。全站儀數字化技術具有精度高、施測方便，數據存儲、傳輸（shū）方便，可（kě）以直接與計算機連接，在友好的計算機操作係（xì）統中（zhōng），實現監測（cè）數據自動傳輸，利用計算機自動分析、處理和（hé）查詢等。隧道及地下工程修建技術不斷提高（gāo）的同時，信息化施工已成為地下工程發展的必然趨勢，而工程的（de）實時監（jiān）測也將發揮更為重（chóng）要的（de）作用，同時監控（kòng）量測（cè）的（de）要求也越來越高，這必然促使實時（shí）監測（cè）技術飛速發展。三維激光掃描（miáo）技術可（kě）以實時、準確、全方位獲取隧道空間變形數據，進行（háng）隧道施工變（biàn）形分析和反分析，對隧道施工進（jìn）行風（fēng）險預警預報（bào），指導隧道信息化施工。
　　2　三維激光掃描技術
　　隧道（dào）三維（wéi）激（jī）光掃描可視化監（jiān）測技術運用數字圖像處理技術和（hé）計算機視覺技術，將人們使用各種儀器測（cè）量的數據處理，轉換成人們能夠直觀、形象地理解的圖像信息（xī），幫助人們尋找數據中潛在（zài）的各種有用信息，使人們（men）能夠對獲得的數據進行深刻、全麵的理解。
　　隧道三維激光（guāng）掃（sǎo）描可視化監測技術采用三維激光雷達掃描儀進行隧道全斷（duàn）麵非接觸掃描測量，監測點布設成黑白相間反光十字標靶或標誌球，測量時儀器主動獲取和存儲隧（suì）道實體的點雲數據，包括實體在（zài）同一空間坐標係或參（cān）考係下描述目標實（shí）體的空間分布和目標表麵光譜特性的海量點雲數（shù）據集合。通（tōng）過點雲拚接和濾波分析等，得到隧道空間的（de）三維實體模型，進行數字信息化處理和隧道預警預報，指導隧（suì）道信息化施工和設計。
　　3　點雲數據的獲取
　　隧道工程為（wéi）一狹（xiá）長結構，施工安全步距一般（bān）為幾米至（zhì）幾（jǐ）十（shí）米，三維激光掃描儀的掃描密度是隨著掃描距離的增加而（ér）下降的，所以（yǐ）在隧道有限的管狀空間內，為了保（bǎo）證有充足的點雲數據用於提取隧道的形變信息，通常每個測站所獲取的點雲數據中有效範圍隻有（yǒu）幾十米，這是隧道特（tè）殊結構（gòu）下（xià）不可避免的特殊問題（tí）。采用三維激光掃描技術進（jìn）行隧道監（jiān）控量測（cè）時需通過分站式掃描（miáo）才能（néng）采集全部數（shù）據。為了使監（jiān）測數據連續可靠，掃描數（shù）據必須有一定的（de）重合度，即保證點雲數（shù）據拚接過程中每兩個測站間（jiān）的（de）公共部分，監測時需根據隧道斷麵尺寸大小，每（měi）隔一定距離設置一個測站，用於拚接的控製點隻能布設在兩站間的銜接部分，在每兩個測站間的隧道內壁上（shàng）均（jun1）勻布設（shè）　5-6　個反光靶，以及在地麵上布設　3-4　個反光靶拚接時將第一（yī）站（zhàn）作為基準站，其後每一站分（fèn）別與相鄰的前一站作拚接，前後（hòu）測站間首尾相連。但所測點雲數據分別在以各站站點為原點的獨立（lì）坐標（biāo）係中，因此（cǐ）在進行隧（suì）道形變分析時，需要對各測站點雲數據進行拚接。
　　4　點（diǎn）雲數據的拚接
　　隧道監測區段的數據采（cǎi）集過程中需對隧道進行分站式掃描，且（qiě）在其後的數據處理過程中（zhōng），必然涉及（jí）到點雲數據的拚接問題，點雲數據的拚接精度是保證後期一係列（liè）數據計算精度的重要前提，所以要盡量的減小拚接誤差（chà）。
　　點雲數據拚接是通過計算每兩個測站（zhàn）點雲數據所在坐標係之間的轉換參數，將（jiāng）所有點的三維坐標統一到同一個坐標係下。對於（yú）掃描數據來說，不存在扭曲和縮放，需（xū）要（yào）的是平移和旋轉，即剛體變換。
　　點雲數據（jù）拚接方法主要有：（1）利用專用的測量儀器實現測量數據的直接拚接（jiē），此種方法簡單（dān）快速，無須事後數據拚接（jiē），其拚接精度依賴於硬件的測量精度，但係（xì）統通常複（fù）雜、昂貴，而且不能滿足任意視角測量；（2）基於測量表麵貼附標記（jì）點的方法，這種方法通過貼（tiē）附足（zú）夠數量的標記點（diǎn）用以計算（suàn）兩組（zǔ）點（diǎn）雲數據間（jiān）的拚接變換參數，但所得拚接精（jīng）度受標記（jì）點數量（liàng）影響（xiǎng）較大，並（bìng）且在確定標記點位（wèi）置時易受複雜外形的限製；（3）根據測量（liàng）後的點雲數據拚接算法處理，把不同坐標係的點（diǎn）雲（yún）數據統一拚接到同一坐標（biāo）係統下，這種方法拚接精度主要依賴於拚接算法的優劣，類別上可大（dà）概分為基於點信息的拚接算法、基於幾何特征信息的拚接算法、動（dòng）態拚接算法和基於（yú）影（yǐng）像的（de）拚接算法。
　　5　工程應用與實踐
　　寶峰隧道是昆玉（yù）鐵路重點風險監控隧道，進口段屬淺（qiǎn）埋偏壓隧（suì）道，圍岩等級為Ⅴ級，主要以強風化泥灰岩為主，地質構造發育（yù），隧道監控量測采用隧（suì）道三維（wéi）激光掃描監測（cè）技術對隧道進行了跟蹤監測。
　　為及時掌握隧道施工過（guò）程中變形和收斂情況（kuàng），對隧道（dào）監測數（shù）據進行分析處理，采用專用的分析（xī）軟件SCENE　4.8進行點雲數據處理和分析（xī），建立隧道三維空間實體（tǐ）模型和對比分（fèn）析模型，如圖1所示，分析隧（suì）道淨空收斂和收斂值如圖2所示，在Geomagic　Studio　10軟件也可（kě）瀏（liú）覽和查詢任意（yì）點的坐標值和其它點（diǎn）雲信息，準確地掌握隧道（dào）淨空變化規律，為隧（suì）道的安全（quán）施工提供有力的保障。
　　6　結論與建議
　　隧道三維激光掃描監測方法是利用三維激光掃（sǎo）描係（xì）統實時、全方位、高（gāo）精度、高密度獲取（qǔ）海量實（shí）體點雲（yún）數據（jù），並進行點雲（yún）拚接、濾波處理等得到隧道實（shí）體的三維模型和分析結果，生（shēng）成了不同裏程（chéng）的斷麵圖和變化分析圖（tú），可用來分析（xī）隧道的淨空收斂（liǎn）和拱頂沉降等變化規律（lǜ），並進行（háng）預警預報，具有數據（jù）真實可靠、實時處理和全信息數（shù）字化等優點，便於工程信息化施工和管理。
　　工程應用表明，隧道三維激光掃描監測方法（fǎ）可以快速、實時地獲取隧道施工的動態數據，掌握隧道的動態變化規律，指（zhǐ）導隧道信息化安全施工，是目前最理想的監控量（liàng）測方法（fǎ），並取（qǔ）得了較好的應用效果。
　　參考文（wén）獻：
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　　[2]Hongliang　Deng，　Qihua　Deng，　Kaijiang　Chen，　etc.，　3-D　Tunnel　clearance　measurement　technology　and　Application　Based　on　reverse　engineering　[A]，　2012　International　Conference　on　Smart　Technologies　for　Materials　and　Communication　（ICSTMC2012），　Advanced　Materials　Research，2012.3
　　[3]Baltsavias，E.P.　A　comparison　between　Photogram　metry　and　laser　seanning.　ISPRS　Joumal　of
　　PhotogrammetryandRemoteSensing.1999b，54（2）：83-94