基于地面激光技术的隧道变形监测技术

【摘要】隧道工程施工具有一定的复杂性，同时由于隧道也是整个交通系统过程中重要的环节之一，加强对其变形的监测对提高施工的安全性，保证施工的质量和进度具有十分重要的意义。在对隧道工程变形监测过程中，给予地面激光技术是其中十分常用的一种技术之一。加强对此中技术应用的探讨，对进一步促进隧道变形监测技术的进步具有十分显著的促进作用。本文分析了激光测量技术，并结合实例对隧道变形监测进行分析，以供参考。

【关键词】地面激光；隧道；变形监测

一、前言

隧道在使用过程中，随着各种因素的影响，会出现各种病害影响到隧道的正常营运。因此，需要做好隧道监测，保证隧道的正常使用。

二、传统监测方法概述

变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形形态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。具体检测方法有以下几种：

1、变形监测非大地测量方法

在测绘工作中，可以采用的变形监测方式较多，可以根据测量的方式不同分成电测、物理测以及机械测三种类型，而且所用到的测量仪器也相对较多。在进行非大地测量方式时，需要将测量的机器固定在检测对象或者是其附近固定的物体上，在此过程中，需要保证和观测部位的直接接触。

2、变形监测传统大地测量方法

在变形监测方法中，占据着重要位置的就是传统大地测量方法。其中包括三角测量、交会测量和水准测量。从传统大地测量方法中可以看出，这种监测方法只适用于传统的测量仪器。传统的大地测量方法在应用的过程中，由于劳动强度较大，自动化程度不强等原因，造成工作效率低下。但是经过技术人员多年的努力研究，测量工作逐渐朝着快捷性、自动化的方向发展。

三、三维激光测量技术

1、地面三维激光扫描仪的选择

地面三维激光测量因其能够快速、高效地获取高精度、高密度的监测对象点云数据，大大提高了作业效率，近年来发展迅速，且被广泛应用于各行各业中。目前，Riegl、Trimble、Leica等主要仪器生产厂商提供的仪器型号众多，不同型号的仪器性能参数差异较大，因此，根据扫描需求选择合适的扫描仪型号尤为重要。对于滑坡体的变形监测，一般测量范围较大，需要选择测程较长的扫描仪，通常使用Riegl公司VZ-4000扫描仪，该扫描仪的最大有效扫描距离可达4000m，150m测量精度15mm，重复测量精度10mm，水平扫描范围360°，垂直扫描范围60°，扫描速度每秒30000点，能够满足一般变形监测的需求。

2、点云数据拼接与坐标转换

地面三维激光仪扫描获取的点云数据是在以测站为中心的局部坐标系下，在不同测站获取的点云数据坐标系并不统一。如果在扫描过程中布设了多个测站，就需要对多站扫描的数据进行拼接，统一到同一坐标系下。同时，变形监测是对获取的多期点云数据进行比较分析，因此，各期的扫描数据也必须统一到同一坐标系下。目前有两种常用方法来实现坐标系的统一：①先将多个测站的数据配准，然后测得3个以上标靶的大地坐标，将配准后的点云数据直接转换到大地坐标系下；②对每一测站分别布设3个以上的标靶并测得标靶的大地坐标，将每一测站数据都直接转换到大地坐标系下。考虑到变形监测范围较大，布设标靶要满足每个测站都能观测到比较困难，因此采用第二种方法，即在每一测站的布设3个以上的标靶，直接进行大地坐标转换。

3、点云数据的滤波

在实际测量过程中，由于测量设备、测量环境、表面光洁度、表面涂层对光线的反射率以及人为操作等因素的影响，都会不可避免地引入不合理的测量数据（即噪声），而这些噪声点对点云的数据处理有很大的影响，为了保证监测的准确性，必须对原始数据进行去噪滤波处理。点云噪声滤波主要是根据点云的局部属性，以点云局部的法向量变化、K邻域数目以及点到局部拟合曲面的距离等约束属性来判断某点是否属于孤立噪声或随机噪声，然后采用对应的滤波方法进行滤波处理。对于孤立点噪声，由于其一般具有邻域点较少或不存在邻域的特征，因而在孤立点的滤波过程中，可以较为简单地在点云K-D树索引基础之上，通过判断该点一定邻域范围的邻近点个数是否小于判定阈值来判断是否为孤立点。

四、隧道地面激光监测技术

戴峪岭2号隧道是庄盖高速最长隧道，隧道全长2930m，其中，隧道左线长2930米，右线长2865米，线间距20m。该隧道地质构造复杂，穿越岩溶地质、断层、背斜高应力核部，施工难度大。隧道于2012年9月26日建成通车。

1、现场工作方案

（1）现场踏勘与定点

在扫描工作开始前首先到现场进行踏勘，踏勘工作主要包括3个方面，首先是根据隧道的空间分布、形态和病害发育特征等，确定扫描需要的精度、分辨率及扫描站点；其次是查看已有控制点的位置、保存情况和使用的可能性，根据现有大地测量条件和扫描站点位置考虑控制点联测的大概方案和扫描模型的拼接方式；最后是绘制现场草图和对主要扫描对象拍照，为后续扫描工作实施做准备。布置扫描站点为保证整体扫描质量的一致性，相邻2站点间的数据应有1/4～1/3的重合，同时在相邻站点间至少布置3个公共标靶用于后期点云数据的拼接工作。根据隧道管理方的要求，本次仅对隧道中的一段进行了扫描测量，共布设4个扫描站点；通过2012年和2013年两次扫描数据，分别对隧道进行变形监测和破损测量。

（2）实施扫描

根据计划扫描方案开始工作，首先需适当架高扫描仪，这样一来可避免扫描仪被隧道护栏、来往车辆等物体过多遮拦；二来也可避免扫描激光束与地面夹角过小而造成扫描精度下降。在扫描前，应从扫描仪视野范围中圈选出被扫描物体以大大减少扫描时间，提高效率，本次对隧道的扫描是采用全景扫描。点云的密度取决于激光点位间隔，本次扫描采用高速模式，即在10m处激光点间距为6.3mm×6.3mm。扫描后应及时观察点云以确定是否需要补扫或重复扫描。扫描完成后，还要对扫描区域进行拍照，获取色彩和纹理信息。当扫描仪自带摄像头像素太低不能满足贴图要求时，还要用高像素数码相机手动补拍。

2、数据处理

（1）点云数据的预处理

由于扫描过程中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩，如移动的车辆、行人的遮挡，及实体本身的反射特性不均匀，需要对点云进行过滤，剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点。实际操作中，需要选择合适的过滤算法来配合这一过程自动完成。

（2）点云数据的拼接

对不同扫描站点得到的点云数据，需要将其整合到统一的坐标系下。常用的点云拼接方法有3种，分别是：①使用磁性标靶或者是球形标靶、纸质黑白标靶；②点云数据上重合的部分特征点；③布设测量控制网（可以是国家坐标系、地方坐标系、自由坐标系等）。拼接完成后，各个点云间的拼接精度一般不宜超过5mm。

由于未要求使用全站仪进行导线测量，所以本次主要采用公共标靶对扫描的4站点云数据进行拼接，同时辅以特征点加强拼接精度，最终拼接精度如表1所示。由表可见，本次点云拼接的最大误差为1mm，符合工程项目精度的要求。随后生成拼接完成的点云模型以进行后续工作。

五、结束语

总之，通过对隧道的变形监测大大提高了隧道的危险辨识，有利于及时采取措施保证隧道的营运安全。

参考文献

[1]宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备，2008，10（2）：40-43.

[2]北京地铁隧道结构整体变形监测的研究[J].测绘科学，2014（32）：25