移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道病害檢測(cè)中的應(yīng)用

孟慶年，張洪德，王智，胡玉祥，尹相寶

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032；3.山東省海岸帶調(diào)查監(jiān)測(cè)工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266032)

1 概 述

地鐵工程作為“百年工程”需要運(yùn)行多年，但隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，地鐵隧道在所難免地會(huì)出現(xiàn)一些病害。常見(jiàn)的病害有滲漏水、裂縫、錯(cuò)臺(tái)、侵界等，這些病害的存在會(huì)對(duì)地鐵隧道的使用壽命產(chǎn)生不好的影響[1，2]。因此，需要定期對(duì)隧道的病害進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)。

對(duì)于裂縫、滲漏水、錯(cuò)臺(tái)等大部分病害，常規(guī)的測(cè)量方法是人工巡檢，在隧道病害處附近做標(biāo)記，并對(duì)里程等情況進(jìn)行記錄。對(duì)于侵界等病害，通常采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，并與車輛輪廓進(jìn)行對(duì)比。這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且采集信息有限，不能很好地滿足使用需求。針對(duì)這些問(wèn)題，使用自主研發(fā)的移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行掃描，并對(duì)掃描效果進(jìn)行分析。根據(jù)對(duì)實(shí)例的分析，移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)Φ罔F隧道病害很好地進(jìn)行檢測(cè)。

2 移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又被稱為“實(shí)景復(fù)刻技術(shù)”，能夠很好地反映現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，是繼GNSS技術(shù)之后，測(cè)繪領(lǐng)域的又一項(xiàng)技術(shù)革新。三維激光掃描儀具有非接觸式測(cè)量、掃描作業(yè)快、獲取信息量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，非常適合進(jìn)行地鐵隧道病害檢測(cè)[3，4]。使用三維激光掃描儀可以對(duì)裂縫、滲漏水、漏泥、錯(cuò)臺(tái)以及設(shè)備侵界等病害進(jìn)行檢測(cè)，還可以對(duì)隧道內(nèi)設(shè)備、管道位置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容非常豐富，這是常規(guī)手段所達(dá)不到的。

使用架站式三維激光掃描儀可以很好地獲取掃描區(qū)域的詳細(xì)數(shù)據(jù)，但是由于需要逐站測(cè)量，測(cè)量效率依舊偏低。針對(duì)這種情況，采用一種自主研發(fā)的移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)軌道車與三維激光掃描儀之間的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道的掃描測(cè)量。相比于架站式三維激光掃描儀，移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)量效率更高。根據(jù)對(duì)隧道掃描結(jié)果的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡檢記錄，移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的病害檢測(cè)。

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

針對(duì)架站式三維激光掃描儀測(cè)量效率不高的情況，采用一種自主研發(fā)的移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量(如圖1所示)。通過(guò)整合Leica P40三維激光掃描儀、非接觸式里程計(jì)、軌距測(cè)量?jī)x等多種傳感器，可以獲取高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)。通過(guò)人工設(shè)置速度，可以實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)運(yùn)行，省時(shí)省力。

圖1 移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)法直接使用，通過(guò)將軌道車?yán)锍?、時(shí)間等信息與Leica P40三維激光掃描儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，可以初步獲得無(wú)里程信息的數(shù)據(jù)。在生成的正射預(yù)覽圖上做里程標(biāo)注，并以此進(jìn)行里程校正。對(duì)于礦山法區(qū)間，標(biāo)注位置為明顯的、等距的接縫處。對(duì)于盾構(gòu)/TBM區(qū)間，標(biāo)注位置為KP塊左下角(如圖2所示)。進(jìn)行里程校正，即可以得到帶里程信息的正射影響數(shù)據(jù)以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最終生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以里程為基準(zhǔn)，從南至北排列，里程、環(huán)號(hào)遞增。

圖2 盾構(gòu)/TBM區(qū)間正射影像數(shù)據(jù)里程校正

3 病害分析

3.1 隧道裂縫、滲漏水檢測(cè)

裂縫和滲漏水地鐵隧道最常見(jiàn)的病害，是地鐵病害檢測(cè)的重要內(nèi)容。相比于常規(guī)的人工巡檢方法，三維激光掃描儀可以更加直觀準(zhǔn)確反映出裂縫、滲漏水的里程、長(zhǎng)度等信息(如圖3所示)。為了提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理效率，外業(yè)掃描時(shí)可在裂縫和滲漏水點(diǎn)處做上標(biāo)記。

圖3 三維激光掃描儀識(shí)別裂縫、滲漏水

移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中是移動(dòng)的，采集的效率更高，通過(guò)生成正射影像的方式進(jìn)行檢測(cè)。移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)適合于對(duì)長(zhǎng)距離隧道進(jìn)行掃描測(cè)量，能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道較大裂縫、滲漏水的檢測(cè)。

3.2 錯(cuò)臺(tái)檢測(cè)

盾構(gòu)或TBM隧道通過(guò)管片進(jìn)行連接，由于受力不均勻，兩環(huán)片間就會(huì)發(fā)生錯(cuò)臺(tái)(如圖4所示)。錯(cuò)臺(tái)的存在會(huì)造成管片的破損以及滲漏水，會(huì)對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)安全以及使用年限造成影響[5]。

圖4 錯(cuò)臺(tái)三維點(diǎn)云圖

以里程標(biāo)注線為中心，向大、小里程方向截取斷面點(diǎn)云，即兩相鄰管片交接處點(diǎn)云切片。管片錯(cuò)臺(tái)的計(jì)算步驟如下：

(1)管片數(shù)據(jù)去噪

在實(shí)際作業(yè)當(dāng)中，使用三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往會(huì)包含一些噪聲數(shù)據(jù)(例如測(cè)量人員、管線、疏散通道等等)，這些噪聲數(shù)據(jù)的存在會(huì)對(duì)錯(cuò)臺(tái)計(jì)算、管片半徑計(jì)算等造成較大影響。根據(jù)隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)特性，采用一種基于隨機(jī)抽樣一致性算法(RANSAC)的空間圓擬合方法(公式1、2)進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)剔除[6]。RANSAC算法通過(guò)使用少量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算出圓球參數(shù)，使用剩余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)足夠次數(shù)的迭代運(yùn)算，計(jì)算得到準(zhǔn)確的圓球參數(shù)。

設(shè)球面的方程為：

(x-a0)2+(y-b0)2+(z-c0)2=R2

(1)

式中：a0、b0、c0—球心坐標(biāo)；

x、y、z—管片切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)；

R—圓球半徑；

設(shè)過(guò)球心空間平面的方程為：

aa0+bb0+cc0=1

(2)

式中：a0、b0、c0—球心坐標(biāo)；

a、b、c—平面方程參數(shù)；

以式(2)為條件方程，使用附有條件的間接平差方法計(jì)算得到管片切片點(diǎn)云的中心坐標(biāo)以及半徑。計(jì)算管片切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)與球心坐標(biāo)之間的距離，與球心半徑進(jìn)行對(duì)比，剔除較差較大的點(diǎn)，即可完成噪聲點(diǎn)的剔除(如圖5所示)。

圖5 管片切片點(diǎn)云噪聲點(diǎn)剔除

(2)錯(cuò)臺(tái)量計(jì)算

對(duì)盾構(gòu)/TBM管片的KP塊左下角進(jìn)行標(biāo)注，根據(jù)盾構(gòu)管片的規(guī)格(如圖6所示)，即可以推算得到相鄰環(huán)片間的交接位置以及同一環(huán)不同管片間的交接位置。以此作為依據(jù)，即可以在點(diǎn)云上獲取相鄰管片間的點(diǎn)云切片。

圖6 管片拼裝關(guān)系圖

參考迭代最近點(diǎn)算法(ICP算法)，以一份切片點(diǎn)云作為參考點(diǎn)云，另一份切片點(diǎn)云作為目標(biāo)點(diǎn)云，計(jì)算兩片點(diǎn)云之間點(diǎn)與點(diǎn)的最近距離，最終可以得到錯(cuò)臺(tái)量的詳細(xì)情況，如表1、表2所示。

同一環(huán)不同管片間錯(cuò)臺(tái)量詳細(xì)報(bào)表 表1

相鄰環(huán)片間錯(cuò)臺(tái)量詳細(xì)報(bào)表 表2

3.3 限界檢測(cè)

地鐵隧道內(nèi)經(jīng)常會(huì)進(jìn)行各種施工，例如設(shè)備安裝等，部分施工存在著侵界的隱患。為了保證列車的安全通行，需要對(duì)區(qū)間隧道以及設(shè)備的限界進(jìn)行測(cè)量，對(duì)侵界隱患進(jìn)行排查。常規(guī)的測(cè)量方法是使用全站儀進(jìn)行測(cè)量，但是這種測(cè)量方法是基于“點(diǎn)”的，作業(yè)效率不高且容易漏測(cè)。針對(duì)這些問(wèn)題，使用移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行限界檢測(cè)。

首先，獲取地鐵列車的斷面設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行離散化后獲得列車的設(shè)計(jì)斷面點(diǎn)云，通過(guò)設(shè)置起止里程即可得到列車的限界輪廓模型[7](如圖7所示)。

圖7 列車輪廓模型設(shè)計(jì)

然后將實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與列車的限界輪廓模型進(jìn)行套合并展開(kāi)，根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)云與列車的限界輪廓模型之間的距離設(shè)置色階，可以從顏色直接檢查整體侵界情況(如圖8(a)所示)。還可以對(duì)局部區(qū)域做切片，對(duì)具體侵界情況進(jìn)行分析(如圖8(b)所示)。

圖8 限界分析圖

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)例一：獲取區(qū)間裂縫、滲漏水信息

為獲取某區(qū)間隧道部分區(qū)域的滲漏水、裂縫情況，使用移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行掃描作業(yè)。使用移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，設(shè)置速度為 0.5 m/s，外業(yè)耗時(shí) 20 min，共生成正射影像(如圖9所示)6幅。

圖9 移動(dòng)式三維激光掃描正射影像圖

對(duì)里程進(jìn)行標(biāo)注校正后，對(duì)影像進(jìn)行調(diào)繪，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫、滲漏水的識(shí)別(如圖10所示)，共發(fā)現(xiàn)較大裂縫6處、滲漏水3處(如表3所示)。根據(jù)影像識(shí)別出的裂縫以及滲漏水，均能在現(xiàn)場(chǎng)指定里程位置處找到，準(zhǔn)確率高。

圖10 裂縫、滲漏水識(shí)別

裂縫、滲漏水尺寸表 表3

4.2 實(shí)例二：獲取限界、管片錯(cuò)臺(tái)信息

為獲取某區(qū)間隧道的限界、管片錯(cuò)臺(tái)情況，使用移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)某區(qū)間進(jìn)行掃描作業(yè)。對(duì)某盾構(gòu)區(qū)間使用移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)置速度為 0.75 m/s，外業(yè)耗時(shí) 40 min，共生成正射影像(如圖11所示)14幅。對(duì)里程進(jìn)行標(biāo)注校正后，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖12所示)。

對(duì)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與列車的限界輪廓模型進(jìn)行整體限界分析(展開(kāi)圖如圖13所示)，檢測(cè)區(qū)間共 848 m，無(wú)侵界情況發(fā)生。使用全站儀對(duì)區(qū)間限界進(jìn)行抽測(cè)，無(wú)侵界情況發(fā)生。

圖12 移動(dòng)式三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)覽圖

圖13 移動(dòng)式三維激光掃描整體限界分析展開(kāi)圖

對(duì)區(qū)間564環(huán)的錯(cuò)臺(tái)情況進(jìn)行檢測(cè)，并生成詳細(xì)報(bào)表。對(duì)相鄰環(huán)片間錯(cuò)臺(tái)量進(jìn)行計(jì)算(部分?jǐn)?shù)據(jù)如表4所示)，其中最大錯(cuò)臺(tái)位于169-170環(huán)，錯(cuò)臺(tái)量為 15.3 mm，錯(cuò)臺(tái)弧長(zhǎng) 3.44 m。對(duì)同一環(huán)不同管片間錯(cuò)臺(tái)量進(jìn)行計(jì)算(部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示)，最大錯(cuò)臺(tái)量位于374環(huán)，錯(cuò)臺(tái)量為 6.9 mm。

相鄰環(huán)片間錯(cuò)臺(tái)量匯總表 表4

同一環(huán)不同管片間錯(cuò)臺(tái)量匯總表 表5

續(xù)表5

根據(jù)對(duì)實(shí)例的應(yīng)用，移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確獲取隧道的錯(cuò)臺(tái)以及侵界情況。

5 結(jié) 論

為了保障地鐵的安全運(yùn)行，需要定期對(duì)地鐵隧道的病害情況進(jìn)行檢測(cè)。目前常規(guī)的檢測(cè)手段存在效率低下、自動(dòng)化程度低以及采集信息有限等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，引入三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道病害檢測(cè)。使用自主研發(fā)的移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)地鐵隧道進(jìn)行掃描測(cè)量，通過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)的調(diào)繪處理，三維激光掃描技術(shù)能夠很好實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道裂縫、滲漏水、錯(cuò)臺(tái)以及設(shè)備侵界的檢測(cè)，同時(shí)還能對(duì)其他10余種病害進(jìn)行檢測(cè)，還能對(duì)隧道內(nèi)設(shè)備、管道的位置進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)對(duì)實(shí)例的應(yīng)用分析，移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的病害檢測(cè)。