三维激光扫描技术作为新的空间信息获取技术, 已广泛应用于建筑、考古、桥梁、滑坡等领域, 目前, 三维激光扫描技术已逐渐应用于隧道变形监控及质量检测。通过相应的技术软件可对隧道扫描数据进行处理, 但专业性差、效率低。

本文依托桐庐隧道工程, 开展了三维激光标靶识别、扫描误差研究, 并开发了专业的山岭隧道数据处理软件, 研究成果对三维激光扫描技术在隧道变形监控及质量检测方面的发展具有重要意义。

在隧道应用中, 受扫描入射角的限制, 单站扫描的有效数据有限, 因此, 需多测站扫描, 将各测站数据拼接成整体。目前采用最多的是以标靶作为控制点和拼接点进行拼接, 主要为全局拼接和双站拼接, 如图1所示。

大量文献表明全局拼接比双站拼接精度高。但在桐庐隧道应用中发现, 在某些情况下, 双站拼接精度较高。图2为全局拼接时标靶识取, 标靶模糊不清。图3为标靶点云图片, 比较图3中两种情况下标靶点云, 全局拼接相较于双站拼接, 标靶点云质量差, 标靶中心点误差大, 点云数据拼接时误差大。点云数据拼接后发现, 全局拼接误差为2mm, 双站拼接误差为1mm。

建议对隧道扫描前, 在该隧道通常扫描环境下进行标靶识别距离试验, 确定采用全局拼接距离的临界值。

对于平面标靶, 若标靶与扫描方向大于一定的倾角, 则会造成标靶识别误差较大或无法识别。因此, 对标靶识别角度进行了试验。图4为现场试验方案布设示意, 完成扫描仪与标靶不同角度下标靶的识别及点云扫描作业, 提取标靶中心坐标。

试验结果表明当扫描仪与标靶为60°时, 标靶识别失败。

比较发现, 扫描仪与标靶成0°时点云平整均匀, 未存在散点、噪点, 点云质量明显好于标靶与扫描仪成60°。

以扫描仪与标靶0°为基准, 分析其他角度标靶中心坐标误差。当标靶与扫描仪成10°时, 误差最小, 其误差为0.196mm, 当标靶与扫描仪成20°, 30°, 40°, 50°时, 其误测约为10°的2～3倍, 如表1所示。建议标靶与扫描仪的角度最佳应控制在10°以内, 最大角度可控制在50°以内。

隧道各测站扫描数据为独立坐标系, 需将其转换为统一坐标系。在扫描作业时, 对扫描仪进行调平, 各测站的局部坐标系z轴均垂直于水平面, 因此, 在不考虑模型缩放因子时, 进行坐标体系变换只需2个已知点即可确定站点的坐标。

如已知点A (x₁, y₁, z₁) 和B (x₂, y₂, z₂) , 站点S (x, y, z) 。如图5a所示, 由于仪器已调平, 则只需1个已知点即可得到站点的坐标z。

式中:L为站点S到已知点A的距离;θ为AS与垂直方向的夹角, 均为已知。

如图5b所示, 通过正玄定理可得:

即:α=sin^-1 (L_bsinγ/L_ab) (3)

式中:L_a, L_b, L_ab为站点S与已知点A、站点S与已知点B、已知点A与已知点B的平距, α, β, γ为站点S、已知点A、已知点B组成的夹角, L_a, L_b, L_ab, γ均为已知。

隧道三维激光扫描时, 若只在扫描区段的首部布设控制点, 由于各站通过标靶拼接, 而标靶在扫描计算时存在误差, 则尾部会出现较大的偏差。

在桐庐隧道进行拼接误差测试, 测试方案如图6所示: (1) 100m (5站) 隧道一端布设控制点; (2) 100m (5站) 两端布设控制点; (3) 80m (4站) 两端布设控制点; (4) 60m (3站) 两端布设控制点; (5) 40m (2站) 两端布设控制点进行测试, 各检测点间距为5m。

结果表明, 只一端布设控制点, 距离控制点越远, 误差越大, 100m隧道误差可达32.07mm, 如图7所示。图8～11分别为5站、4站、3站、2站两端布设控制点时各检测点误差。发现每3站、4站、5站布设控制点, 其中间段仍存在较大误差, 而每2站布设下, 误差基本在1mm以内。考虑隧道扫描时间、控制点布设等问题, 建议每2站布设控制点。

隧道初支凹凸不平, 扫描的分辨率一定 (扫描旋转角度一定) , 当测站变化较大时, 对于同一区域, 扫描的点云轮廓可能不同, 如图12所示。在隧道内对于某一固定区域, 进行不同测站位置测试, 试验布设如图13所示。

分别在S₁～S₅, S₆～S₁₀小范围的移动测站进行5次扫描, 所得数据如表2所示。

结果表明在设站位置变化较小时, 其误差较小, 只有0.4mm;而当设站位置变化较大时, 其误差较大, 达到2.2mm。

因此在进行隧道变形监测时, 为了保证扫描的精度, 建议每次扫描的角度和距离相同, 即相同的设站位置。

三维激光扫描技术应用于山岭隧道变形监测及质量检测领域, 点云数据处理至关重要。目前市场上三维激光应用软件对无效数据删去及去噪需人工处理, 误差大、效率低。为提高隧道点云数据处理精度、效率及应用程度, 开发了三维激光数据处理平台。

隧道需多站扫描, 但每站扫描长度大于其有效数据长度, 需将重叠和无效数据删去。

在隧道点云处理软件中需手动删去重叠和无效数据, 由于两站间共同点不易查找, 在搭接部分各站需保留一部分点云以确保两站之间不出现缝隙, 造成了数据重叠。而平台以两测站的中点为裁剪分界线, 垂直于测站连线进行裁剪, 实现了两测站数据无缝搭接。

多站点云数据的拼接和裁剪是一整体操作。Cyclone为三维激光扫描仪配套的软件, 其拼接精度较高, 对比分析了平台与Cyclone拼接精度, 其结果如表3所示。

平台与Cyclone误差较小, 其最大误差只有0.262mm。因此, 采用平台进行拼接裁剪, 可避免点云重叠影响监测精度。

山岭隧道施工期临时设施较多、灰尘大, 导致在扫描时产生大量噪点, 数据应用时需将噪点删去。采用手动去噪, 时间较长, 一般为1～2h, 并且容易将非噪点的删去。针对该问题, 提出了设计断面阀值去噪、离散点去噪、图像去噪方式综合去噪方式。

根据设计断面及线路参数, 设置扫描点到设计断面的距离d, 计算所有扫描点与设计断面的距离, 根据距离将大部分噪点去掉, 保留距离小于d的点。

经过设计断面阀值去噪后, 仍保留靠近设计断面的离散噪点, 采用Statistical Outlier Removal滤波器移除离群点, 输入临近点的个数及到临近点的平均距离, 计算其到其所有临近点的平均距离, 若平均距离不在设置的范围内, 则该点被定义为离群点, 可从数据集中删去。假设临近点个数为5, 平均距离为5mm, 若, 则A点定义为离群点, 删去, 如图14所示。

经过离散点去噪后, 可能仍存在面积较大、密集的噪点点云, 可用图像处理的方式删去。其步骤为: (1) 将断面所有点绘制到画布上, 形成二维图像; (2) 图像灰度化处理; (3) 图像二值化; (4) 对图像中的点进行膨胀; (5) 膨胀后的点将形成连通区域, 识别获取所有连通区域的轮廓; (6) 计算所有轮廓面积, 删去小于设定像素的轮廓; (7) 还原保留的点云。

三维激光数据处理平台实现对点云数据进行裁剪抽稀、拼接、去噪以及变形监控、侵限分析、二衬厚度、方量等数据的提取。平台分为4大模块:数据管理模块、监控量测模块、侵限分析模块、三维云图模块。

1) 数据管理模块实现了对隧道信息及三维激光点云数据管理功能。设置项目、标段、隧道、掘进方向四级目录, 通过代码 (字母及数据组成) 对工程信息 (围岩级别、平曲线、竖曲线、设计断面、开挖方式等) 及三维激光扫描数据进行管理。

2) 监控量测模块实现了隧道拱顶和周边变形监测。根据围岩等级、开挖方式以及现场实际情况设置监控断面及测点位置, 设置断面厚度、测点面域、置信区间;一键提取拱顶沉降、周边收敛数据, 根据设置的预警值自动判断测量值是否超标;选取多种类型函数对监测数据进行分析。

3) 侵限分析模块实现了隧道断面的侵限分析和二衬厚度分析。根据断面大小及现场需要, 设置断面检测点数量, 对比设计断面与点云断面、初支与二衬点云断面, 获得检测点侵限值及二衬厚度值。

4) 三维云图模块实现了隧道三维云图分析和超欠挖方量、二衬方量计算。进行区段划分, 设置方量计算的最小长度, 采用点云数据与设计模型套接计算方量, 根据扫描日期实时更新三维云图及方量。

1) 隧道各站点云数据通过标靶拼接, 而标靶识别受到角度限制, 通过现场试验, 发现当扫描仪与标靶成60°时, 标靶不能识别, 标靶在10°的误差只有20°, 30°, 40°, 50°的1/2～1/3, 因此, 建议扫描仪与标靶角度尽量控制在10°以内, 最大角度可控制在50⁰以内。

2) 隧道拼接后的误差受到控制点间距的影响, 试验发现若在只一端布设控制点, 距离控制点越远, 误差越大, 100m隧道误差可达32.07mm, 每60m (3站) 、80m (4站) 、100m (5站) 两端布设控制点, 中间段仍存在较大误差, 而每40m (2站) 两端布设控制点, 则误差基本在1mm以内。考虑隧道扫描时间、控制点布设等问题, 建议采取每两站加设控制点。

3) 采用三维激光扫描技术进行隧道变形监测, 由于扫描分辨一定 (扫描旋转角度一定) , 每次对同一区域进行数据采集时, 若测站位置变化较大, 则获取的数据变化较大, 导致误差大, 建议每次扫描测站位置相同。

4) 山岭隧道施工期内, 临时设备多、灰尘大, 在扫描时形成噪点, 采用手动去噪, 花费时间长, 且易删去非噪点, 针对该问题, 提出了设计断面阀值去噪、离散点去噪、图像去噪综合去噪方式, 基本可将噪点删去。

5) 研发了集隧道监控量测、侵限分析、二衬厚度评估、方量统计等功能为一体的三维激光数据处理平台, 实现了点云拼接、去噪、目标数据一键提取、侵限分析、方量计算、数据分析等功能, 填补国内外尚无专业的山岭隧道三维点云数据处理软件的空白。