劉妍¹,孫海麗²

(1.自然資源部第一航測遙感院，陝西西（xī）安710054；2.首都師範大（dà）學（xué）,北京100048)

摘要:無（wú）控製方（fāng）式的移動激光隧道檢測係（xì）統能獲得高質量的（de）三維點雲數（shù）據（jù），能對隧道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內（nèi）都可以正常使用，相（xiàng）比集成慣導的移動軌道掃（sǎo）描係統，大大降低了成本，提升了外（wài）業檢測效率。采用移動隧道檢測係統對天津地鐵某區間進行安全檢測，通過獲取隧道全息全斷麵數據，進行隧道點雲數據采集、斷（duàn）麵變形解算(全斷麵變形分（fèn）析和收斂（liǎn）直徑計算)、病害提取，生成隧（suì）道內壁和軌道影像、漫遊（yóu）視頻（pín），用（yòng）於對隧道斷麵、限界、病（bìng）害等信息進行全方位（wèi）的分析，生成多種格式成果，為移（yí）動激光（guāng）掃描技術在地鐵隧道中的應用提（tí）供（gòng）借鑒。

關鍵詞:隧（suì）道安全檢測；移動激光隧道檢測（cè）係統；數據分析；點雲數據；正射影像

　　1.引言

　　隧（suì）道幾何結構安全狀（zhuàng）況直接影響（xiǎng）隧道的使用性能，對隧道結構的狀態進行（háng）監測、檢測與維護整治尤為重要。由於城市軌道交通運營維護期間天窗時間（jiān）短，隧道檢測效率、檢測數據處（chù）理精度及有效性都將影響軌道交通的正常運營，隻有（yǒu）提（tí）高和長久保持（chí）隧道結構的強度（dù）和穩定性，對隧道及時進行變形檢查和維護，才能滿足（zú）列車快速、平穩、舒適、安全的運輸要求（qiú）。

　　目前，隧道變形（xíng）監（jiān）測主要采用全站儀或三維激光掃描測（cè）量。基於全站儀（yí）的自動變形監測方法，精度可靠，在實際工程中的（de）應用仍然（rán）比較廣泛（fàn）。全站儀（yí）自動變形監測測量通過全站儀測量隧道環片標誌點，或采用無棱鏡反射方式測量，可（kě）實現全自（zì）動（dòng）化測量，監測精度（dù）雖然較高，但效（xiào）率較低，成本較高，而且測量點位密度較稀（xī）疏，隻（zhī）能選擇部分斷麵進行檢測，不便於進行全斷麵變形檢測。

　　三維激光（guāng）掃描測量因其獲取數（shù）據（jù）速（sù）度快、點密度大精度高、使用簡單方便等優點，將（jiāng）成為隧道檢測的主要技術手段。

　　Leica、Amberg、武（wǔ）漢漢寧軌道交通技術有限公司推出了移動軌道掃描係統，集成了（le）CNSS、IMU、激光（guāng）掃描（miáo）儀、裏（lǐ）程（chéng）計等傳感器，能對軌道及周邊實現全覆蓋移（yí）動掃描，在露天或隧道內都可以正常使用，並為竣工分（fèn）析提供（gòng）測繪級精度的三維（wéi）點（diǎn）雲，但要求外業掃描過程中要聯測控製點。首（shǒu）都師（shī）範大（dà）學研（yán）製的無控製方式的移動激光隧道檢測係統，無需（xū）集成GNSS和慣性導航係統，僅借助激光掃描儀在移動軌道小（xiǎo）車平台上勻速運行，便可獲得高質量的三維點雲數據。本文（wén）利用無控製移（yí）動激光隧道檢（jiǎn）測係統在地（dì）鐵隧道進（jìn）行測（cè）試，介紹其作業流程、數據處理方法及其應用（yòng）。

　　2.無控製移（yí）動激光隧道檢測係統

　　無控製方式的移（yí）動激光（guāng）隧道檢測係統，借助激光掃描（miáo）儀在移動軌道小（xiǎo）車平台（tái）上勻速運行，獲得高質量的三維點雲數據，檢測速（sù）度支持高達4.5 km/h的（de）作業速度；支持輔助裏程（chéng）計、軌距測量儀等傳感器，提高了相對定位精度；能對隧道（dào）及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內都可以正常使用；能進（jìn）行斷麵、限界檢測及正射影像生成，相比集成慣導的移動軌道掃描（miáo）係統，大（dà）大降低了成本；采用無控製點（diǎn）聯測方式，提（tí）升（shēng）了外業檢測（cè）效率。

　　移動激光隧道檢測係統支持多（duō）種掃描儀，采用無控製點（diǎn）聯測方式檢測隧道相對變（biàn）形，不需考慮軌道和隧道的整體沉降、軌道平順性等變形特性（xìng），僅關注隧道空間結構的相對（duì）變化，可進行隧道的定期監測、保護區施工監測（cè）、成型隧道驗收施工等，適用於隧道收斂（liǎn）檢測線路管理維護竣工分析、限界（jiè）測量、淨（jìng）空測量、病害檢測等多個領域。

無控製移動隧道（dào）激光檢測係統配套（tào）的隧道激光點雲采集與處理軟件（jiàn）是隧道激光掃描監控量測係統（tǒng），主要有移（yí）動點（diǎn）雲采集、隧道數據處理與（yǔ）成果分發功能。利用移動式三維（wéi）激光掃（sǎo）描測量技術可快速獲取隧道表（biǎo）麵大量（liàng）的點的三維坐標和圖像灰度值等（děng）信息，對這些點雲數（shù）據進行預（yù）處理與變形解算後，可以獲得被掃描（miáo）隧道的收斂直徑、錯（cuò）台變形、內壁影像、漫遊視頻等量測成果（guǒ），生成測量報表、斷麵CAD、病害報（bào）表等，為地鐵盾構隧道施工及運營維護檢測（cè）提供（gòng）完整（zhěng）解決方案。圖1為移動（dòng）隧道檢測作業流程。

圖1、移動隧道檢測作業流（liú）程

數據處理主要包括點雲（yún）影像預覽、點雲預處理、斷麵收斂變形分析、錯台分析、淨空檢測、病害標注、隧道高清影像生成（chéng）與實景漫遊構建報表生成等工作內容。

3.隧道（dào）安全狀態分析

　　本（běn）文以天津地鐵安全檢測項目為例，采用移動隧道檢測係統對某一區間進行工程化測試，通過獲取隧道全息全斷麵數據，進（jìn）行隧道點雲數據采集（jí）、斷麵變形解算(全斷麵變形分析和收斂（liǎn）直徑計算)、錯（cuò）台分析、病（bìng）害（hài）提取、隧道內壁和軌（guǐ）道（dào）影像生成漫遊生成應（yīng）用，對隧道斷麵、限界、病害等信息進（jìn）行全方（fāng）位的分析。

　　運營地鐵隧道安全檢（jiǎn）測的內容主要包括隧道斷麵檢測、限界檢測及滲漏水（shuǐ）等病害檢測。在地鐵隧道位置、結構的幾何參數（shù）檢測中，收斂和限界檢測尤為重要。盾構隧道收斂變形檢測主要結合隧道結構特征（zhēng），進行穩健估計橢圓擬合（hé），獲得橢圓長半軸、短半軸、水平直徑、橢圓度等信息。限界檢測可結合實測點雲掃描得到的軌麵點雲進行軌道麵提取，解算（suàn）軌麵高程基準，建立軌麵坐（zuò）標係，並結合鐵路設計相關規範提供的地鐵（tiě）列車或設備限界數據進（jìn）行隧道斷麵限界檢測以及（jí）接觸網導高和拉出值拱頂淨高的計算。

　　激光掃描數據具有“全覆蓋、密度高”的特點，為便於後續深入分析，掃描後（hòu）提供的全斷麵數據可導出成（chéng）逐環全斷麵dxf文件，例如，收斂直徑、環內錯台（tái）、淨空檢測（cè）以及環間錯台dxf成（chéng）果文件，並標注環片拚接塊的（de）實際位置，方便查看和數（shù）據管理。

　　隧道激光掃（sǎo）描監控量測係統的解算成果分為全斷麵CAD圖及統計（jì）報表(Excel表格)，其中，統計報表主要包含整個數據的收斂直徑（jìng）、錯台弧長、平均錯台量等分析數據，可進行進一步分析應用。

　　對隧道內滲漏水發（fā）生的（de）位置、分布及其（qí）麵積等進行定量量測，主要采用該（gāi）係統的隧道內壁（bì）影像功能。隧（suì）道現（xiàn）狀影像的主（zhǔ）要（yào）特點為高頻次、高分（fèn）辨率，相對於普通數碼像機照片，具有全覆（fù）蓋、精確量算和無需光照等（děng）優勢，有利於及時（shí）發現隧道內的各項安全隱（yǐn）患，克服（fú）了人工巡檢的漏檢、非標準（zhǔn）化、指標隨意等（děng）缺點。本試驗對應的內壁（bì）影像圖局部放（fàng）大如圖2所示，從圖中能夠看到，結（jié）合激（jī）光掃描生成的高清隧道影（yǐng）像質量較高。

圖2、高清影像局部放大圖

　　為解決隧道掃描點雲（yún）數據和解算成（chéng）果的可視化難題，避免人工（gōng）建模所需的大量人力，可利（lì）用掃描（miáo）點雲的XY坐標（biāo）、裏程、反（fǎn）射率信息以及檢測成果直接生成三維漫遊場景，並以第一人稱生成漫遊視頻，將隧道現狀、環號-裏（lǐ）程、直徑變形、錯台、附屬設施等關鍵（jiàn）信息融合（hé）到視顏中，相關人員可（kě）更（gèng）全麵地查看監（jiān）控量測成果。

　　地鐵隧道中（zhōng）最常見的病害是滲漏水，常（cháng）規的（de）滲漏水檢測以人工拍攝巡檢方式為主，數據成果量化、保存與共享比較困難。基於移（yí）動激光（guāng）掃描方式獲取隧道（dào）壁高精度、高密度的三維點雲坐標信息及（jí）激光反射信（xìn）號的強度信息，結合強度信息（xī）可對掃描目標的結（jié）構（gòu）.材質、含（hán）水量等信息進行提取和反演，實現目（mù）標探測與識別。如圖3所（suǒ）示，結合移動激光掃描獲取的隧道點雲數據生成（chéng）的正射膨像強度圖能給（gěi）出滲漏水的兒何信息，如滲漏水的麵積，彌補傳（chuán）統方法獲取單一。幾何數據的缺陷，便於病害成果的幾何量測與數據管理。

圖3、隧道滲漏麵積計算

4.結束（shù）語

　　結合移動激光隧道檢測係統進（jìn）行隧道安全狀態檢測，檢測速度可支持最高4.5km/h的作業速度，能提高作業效率（lǜ），提供（gòng）全斷麵、收斂直徑、環內錯台（tái）、環間錯台等變形檢測成果表和CAD圖，並（bìng）進行表觀（guān）膨像的初步識（shí）別和判讀，製作隧道實景漫遊視額。

　　移動激光隧道檢測係統可采（cǎi）用無控（kòng）製（zhì）方式，對隧道進行移動式激（jī）光檢測，適用於隧道（dào）結構相對變化（huà）檢測，但對於一些（xiē）絕對測量場最（zuì）(如沉（chén）降監測、軌道平順性檢測)，則需要增加慣性導航係統，並聯測控製點。

　　實（shí）踐結果表明，無控製（zhì）方式的移動激光隧道（dào）檢測係統可（kě）開展隧道結構病害的快速檢測，在采集範圍、影像分排率及采集效率方麵具有一定的優勢。通過激光（guāng）掃措可獲（huò）取隧道內壁高分辨率影像和漫遊視頻，便於相關專業（yè）人（rén）員直觀清楚地了解隧（suì）道內壁的附屬設施和病害現（xiàn）狀，還可為後期的隧道綜（zōng）合調度指揮和（hé）結構病害分級跟蹤管理提供（gòng）工作底圖，也可為（wéi）後（hòu）續線路的BIM信息化管理提供基礎數據。建議在隧道竣（jun4）工驗收（shōu）測量、監護項目結構調查、長期收斂測量以及應急搶險等特殊（shū）工況條件（jiàn）下（xià）的快速（sù）普查等項（xiàng）目中，開展無控製方式（shì）的移動激光隧（suì）道檢測係統（tǒng）試驗應用。來源：《測繪技術裝（zhuāng）備》