馬朝陽

1交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 天津 300456

2天津水運工程勘察設(shè)計院 天津水運工程測繪技術(shù)重點實驗室 天津 300456

正文：

一、傳統(tǒng)監(jiān)測方法概述

所謂變形監(jiān)測，就是利用一定的監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測技術(shù)對變形體產(chǎn)生的變形進行長期間斷監(jiān)測的過程，通過分析變形數(shù)據(jù)對變形體進行評價以及預(yù)測變形的發(fā)展趨勢和造成的后果。對于隧道進行監(jiān)測的目的也是如此。當前，隧道工程中常使用的監(jiān)測方法有變形監(jiān)測非大地測量方法和變形監(jiān)測傳統(tǒng)大地測量方法。變形監(jiān)測采用的方法很多，根據(jù)原理的不同，分類方式也不同。在測量方式上，可以將測量方式分為電測、機械測量和物理測量等。通常對于非大地監(jiān)測時，主要是將測量的設(shè)備與監(jiān)測的對象進行固連，實現(xiàn)觀測上的直接接觸。而對于傳統(tǒng)大地監(jiān)測，因為涉及的范圍較大，因此采取的測量方式主要為三角測量、交會測量和水準測量。上述的三種方式是較為傳統(tǒng)的測量方法，導(dǎo)致在具體的工程測量中，對于測量人員的勞動強度放大，自動化的程度也較低，導(dǎo)致精度也較差，為此當前基于大地測量積極地研發(fā)新的技術(shù)，而地面三維激光掃描技術(shù)就是其中一種較為先進、應(yīng)用廣泛的新技術(shù)。

二、三維激光測量技術(shù)

1、地面三維激光掃描儀的選擇

隧道工程的變形監(jiān)測采取的三維激光測量技術(shù)，具有測量速度快、精度高、測量的數(shù)據(jù)多等特點，不僅極大程度的提高了監(jiān)測的精度，也大大的縮短了人工的耗時，因此使用的范圍廣泛。當前，市場上用于隧道變形監(jiān)測的地面三維激光掃描設(shè)備的種類較多，型號和廠商的不同，導(dǎo)致設(shè)備的性能指標存在差異。為此，在充分考慮隧道監(jiān)測的要求后，選擇合適的掃描儀非常重要。當前在隧道變形中一般使用的地面三維激光掃描儀在參數(shù)上要求對于有效掃描距離、掃描精度在百米的誤差和掃描上的重復(fù)誤差都有較為精確對規(guī)定，同時對于水平面上的掃描范圍和垂直面上的掃描范圍也有較為精確的規(guī)定，在實施隧道變形監(jiān)測過程中需要注意 。

2、點云數(shù)據(jù)拼接與坐標轉(zhuǎn)換

地面三維激光掃描技術(shù)在對隧道的點云數(shù)據(jù)進行采集時，主要是借助測量基站作為測量的中心點，由于測量過程中需要多次變換方向進行數(shù)據(jù)的采集，為此要設(shè)置多個測量站點，將多個位置獲取的點云拼接成一個整體，這樣才可以實現(xiàn)多幅點云數(shù)據(jù)的整合分析，為此首先需要進行坐標系的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)多個位置測量的點云數(shù)據(jù)進行合并，這是進行變形監(jiān)測的前提和必備。實現(xiàn)坐標系統(tǒng)一的方法，在實際應(yīng)用中主要有兩種：一是對多個站點測量的數(shù)據(jù)進行配準，一般配準需要借助三個以上的標準點作為配準的大地坐標，進而實現(xiàn)點云的轉(zhuǎn)化；二是在每個大地測點設(shè)置多個參照點，一般要求參照點多于三個以上，然后將每個參照點轉(zhuǎn)換到大地坐標系下。但是在具體的實際監(jiān)測過程中，由于對每個測點進行監(jiān)測較為困難，常常使用第二種轉(zhuǎn)換方式，實現(xiàn)隧道變形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

3、點云數(shù)據(jù)的濾波

三維激光掃描設(shè)備在進行數(shù)據(jù)采集時，由于測量的環(huán)境溫度濕度的影響、測量設(shè)備的震動及隧道內(nèi)部的粉塵等因素，導(dǎo)致測量的點云數(shù)據(jù)不可避免的采集到一些誤差較大或者不太合理的數(shù)據(jù)，這就是所謂的噪點。這些由于誤差導(dǎo)致的點對于監(jiān)測的精確性有著巨大的不良影響，為此需要進行剔除和清除。一般通過濾波的形式對這些噪點進行清除。對于噪點的去除過程主要是依據(jù)點云的屬性，以及點云的法向量的變化狀態(tài)等信息來判斷一個點是不是噪點，這是進行去除噪點的依據(jù)，一旦通過上述的判據(jù)推測出一個點屬于噪點，系統(tǒng)會自動采取預(yù)設(shè)的濾波方法進行處理。孤立的噪點因為不存在與其他點的聯(lián)系，因此判斷起來較為簡單，因此去除也較為容易。

三、隧道地面激光監(jiān)測技術(shù)

1、現(xiàn)場工作方案

（1）現(xiàn)場踏勘與定點

對于隧道變形的監(jiān)測，首先需要對隧道的觀測段進行現(xiàn)場的勘測，并做一定的準備工作。準備工作主要包括獲得隧道監(jiān)測段的地形、空間信息和隧道變形的發(fā)展趨勢。首先需要對激光掃描儀的參數(shù)進行設(shè)置，內(nèi)容包括掃描需要達到的掃描精度、掃描設(shè)備的分辨率設(shè)置以及具體的掃描站點的點位。為了提高掃描質(zhì)量，需要驗證控制點的位置合理性和科學(xué)性。在完成上述工作后還需要結(jié)合大地測量的條件和對站點的布置設(shè)置多站點掃描監(jiān)測的方案和獲得的點云數(shù)據(jù)配準和拼接。需要注意的是，在布置掃描站點時，需要考慮獲得數(shù)據(jù)上的統(tǒng)一性，為此對相鄰站點的布置應(yīng)該保證獲得的點云數(shù)據(jù)具有25%以上的重復(fù)區(qū)域，并保證相鄰站點有三個以上的標志點重合，這樣才能提高后期點云數(shù)據(jù)拼接的質(zhì)量，實現(xiàn)多幅點云數(shù)據(jù)的無縫銜接，進而形成完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，最終提高隧道變形監(jiān)測和破損測量的效率和質(zhì)量。

（2）實施掃描

在前面設(shè)置的掃描基點位置，布置激光掃描儀。為了避免掃描儀被隧道內(nèi)的護欄和車輛所遮蔽，需要將掃描儀架在較高的位置，這樣也可以在掃描光束與地面角度較大的情況下提升掃描的精確度。掃描前，首先需要將掃描的區(qū)域調(diào)整到掃描儀的視野范圍內(nèi)，這樣可以極大地提升掃描儀掃描不必要區(qū)域的時間消耗，提升掃描的效率。掃描中，一般采取高速掃描的方式，激光點距要求較小，掃描后也要及時檢測掃描的結(jié)果，以免出現(xiàn)漏掃的區(qū)域。掃描同時對隧道區(qū)域進行拍照，獲得隧道掃描區(qū)域的色彩和紋理等信息，實現(xiàn)圖像和掃描數(shù)據(jù)之間的對比，為掃描提供參考，進而實現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)的精確采集。

2、數(shù)據(jù)處理

掃描獲得數(shù)據(jù)后，干擾導(dǎo)致噪點和錯誤點數(shù)量居多，為此需要首先進行過濾除雜，過濾一般是使用預(yù)先設(shè)置的算法來進行自動處理的。數(shù)據(jù)過濾除雜后，需要將多幅點云進行拼接，一般還要進行坐標系統(tǒng)一。拼接完成后，各個點云間的拼接精度一般不宜超過5mm。完成數(shù)據(jù)的處理后，分析數(shù)據(jù)斷面結(jié)果來研究隧道的變形狀況等信息。

結(jié)束語：本文簡單闡述了傳統(tǒng)監(jiān)測方法與三維激光測量技術(shù)，并重點對地面三維激光掃描技術(shù)在隧道工程中現(xiàn)場工作方案和數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用中關(guān)于掃描前的實地勘測、掃描的具體實施環(huán)節(jié)、掃描數(shù)據(jù)的處理等進行了詳細的論述和探究，旨在提升三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用技術(shù)。