曹曦，钟良

（长江空间信息技术工程有限公司（武汉）遥感数字工程院，湖北　武汉　430010）

基于三维激光扫描技术的隧洞三维可视化监测应用

曹曦，钟良

（长江空间信息技术工程有限公司（武汉）遥感数字工程院，湖北武汉430010）

三维激光扫描仪具有高频率、高精度、高时效、易操作的特性，已被广泛应用于工程建设领域.文章提出一种基于地面激光扫描数据的精确监测与直观管理隧洞体形变的方法：运用高精度地基三维激光扫描技术对隧洞体进行多次扫描；计算、分析多时相激光扫描数据；检测定位隧洞体的形变；其监测成果在依据三维激光扫描成果构建的高精度三维数字实景上运行管理.将此方法运用于南水北调穿黄隧洞形变监测，可实现准确定位隧洞体的形变区域.

隧洞形变检测；三维激光扫描；三维可视化监测

传统隧洞体变形监测主要依赖三角测量、水准测量、交汇测量等方法，以二维图表示为主.由于受到观测环境、观测时间、劳动强度、自动化程度等多方面因素的影响，只能局限于所布设的控制点，反映局部形变，难以反映出整体形变.三维激光扫描技术是一种新型的三维测量技术［1］，随着测绘技术的快速发展，三维激光扫描技术对工程测量科技发展产生了较大影响.相比于传统的单点数据采集，三维激光扫描技术采集数据快，作业强度降低［2］，可以短时间地全面获取变形监测对象的整体点云信息［3］，完成目标测量，提供精确的定量分析数据及结果［4］，为高精度目标定量分析提供数据支撑.同时传统的二维显示由于难以表达复杂的地物结构，如隧洞、船闸及各种复杂的地质构造，开始逐步被先进、直观的三维展示技术所取代，三维可视化的应用很大程度提高了对空间数据的利用效率，极大地增强了工程设计的直观性，已广泛用于预测、评价各种设计方案及空间布置的合理性等问题上，使得技术与管理人员能更加详尽地了解复杂工程的微观信息，使复杂的地物结构得到直观描述，极大地增强了设计与管理的交互性，让技术与管理人员能够详尽地掌握相关工程的宏观及微观信息.因此，将先进的高精度三维激光扫描技术与三维可视化技术结合运用于隧洞变形监管领域具有实用意义.

南水北调中线干线穿黄工程是中线总干渠穿越黄河的关键性工程，如图1所示，穿黄隧洞包括过黄河隧洞和邙山隧洞，为双洞平行布置，采用盾构法施工，双层衬砌结构形式，结构新、工艺复杂.隧洞内径7 m，外径8.7 m.隧洞过黄河段为典型的游荡性河段，地质条件复杂.隧洞通水前后洞壁应力变化、隧洞内水外渗以及隧洞上部黄河汛期和枯水期的压力变化，若带来隧洞的较大形变，将会对供水安全造成严重影响.因此，对隧洞形变的有效监测与监管是穿黄工程安全运行的重要工作.本文拟以南水北调穿黄隧洞三维可视化为例，探讨三维激光扫描技术对隧道数据的获取及其处理在可视化监测与监管上的应用.

图1　南水北调中线干线穿黄工程布置图

1　三维激光扫描数据采集方案

1.1仪器选用

数据采集使用莱卡Leica-HDS8800三维激光扫描仪，如图2所示. Leica-HDS8800是紧凑型、高速脉冲式的三维激光扫描仪.其内置7000万像素的数码相机，可以在零下40℃正常工作.该扫描仪每秒最大扫描8800点，模型表面的重复精度为±8mm.扫描仪单点精度120m内的系统距离误差介于±5mm，1000m内系统距离误差介于±16mm.其激光测量范围为2.5～2 000m，激光波长为1 545 nm.

1.2数据采集

三维激光扫描仪由于受视场角限制，为获取整个物体表面的数据，需要从不同视角进行多次扫描，完成各扫描站之间的数据配准.在隧洞扫描中，为了获取点云精确空间位置信息，应将三维激光扫描仪的摄站位置安置在三等导线点及二级三角点上，选择远距离三等导线点作为后视点，对隧洞内表面进行360°全方位扫描，使用随机控制器记录扫描数据.与此同时，在隧道出入口处选择控制点（该控制点在地形测量过程中确定），据此对基于局部坐标系的点云模型进行绝对坐标转换，以实现点云模型的坐标与测量区域地形图的坐标一致.

图2　Leica-HDS8800三维激光扫描仪

三维激光扫描仪的扫描距离是影响扫描精度的关键因素.尽管扫描距离的增加可以增大扫描范围，减少设站次数，然而采集的数据精度也随着距离的增加而递减.比如，莱卡Leica-HDS8800三维激光扫描仪在120m内，数据精度在±5mm；而扫描距离到1 000m时候，数据精度则在±16mm之间.因此，必须增加设站次数，严格控制扫描距离，从而提高扫描数据的精度.

2　高精度三维点云数据处理

2.1数据预处理

数据去噪在获取三维数据过程中，由于激光扫描仪自身局限性或扫描过程中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩，使得生成的数据往往带有大量的噪声点，直接影响到数据的后期处理，进而降低了变形监测的精度，使变形探测的困难增大.因此为得到目标物体形体信息的最佳估值，需要对扫描所得的原始数据中的干扰地物进行处理，以免对后面粗差剔除形成干扰，剔除噪音数据后作进一步处理，从中剔除含有粗差的相关观测数据和无效形体数据.例如根据隧道设计数据（如圆隧道的直径及轴线空间位置），剔除来自隧洞体预制管片的连接螺栓孔、螺帽、注浆孔等处的噪音.

数据抽稀激光扫描仪采用脉冲激光测距的方法获取点云，系统获取的海量离散点云数据，鉴于扫描角度、距离等因素，管壁点云密度并不均匀，摄站附近的点密度大.为便于后续建模及变形检测算法的处理，需要按照一定的密度提取点云数据，从而去掉点密度大的区域中的冗余点，提高后续点云数据的处理效率.

2.2基于断面的变形监测

局部形变分析，即对隧道中某一特定位置进行形变信息的提取和表达.首先采用本文中的隧道纵断面截取方法，对特定位置的不同时期的三维点云数据进行断面截取，然后通过对时间序列上的各个断面进行比较，从而提取不同时段的隧道形态变化信息，该位置上的形变比较结果以形变曲线形式展示.由于最小二乘的几何椭圆拟合方法适用于各种复杂的对象模型，抗噪能力强，可达到很高的拟合精度.因此，本文采用几何椭圆拟合法进行隧道断面拟合后，采用拟合断面差分析形变.

几何椭圆拟合法几何椭圆拟合的目标是任何一点到椭圆上对应点的欧氏距离最小.椭圆的参数方程：.其中（u0，v0），为椭圆中心，（a，b）为椭圆的长短轴，θ为椭圆长轴对坐标轴x的倾斜角，φ（0≤φ≤2π）为扫描点的角参数，围绕主轴逆时针旋转.因此椭圆的5个参数，定义U=［u0v0a b φ］T，设定一点（ui，vi），它与椭圆中心点（u0，v0）之间的距离可定义为：

Di（U）=.因此，椭圆上其对应的点沿着相同方法到椭圆中心的距离定义为：

di（U）=.则误差方程可定义为：.椭圆拟合算法的目标就是使得Ei（U）为最小，因此是求解非线性最小二乘问题：，其中，椭圆的长轴长度必须小于最远点的坐标连线，由于椭圆的长、短轴都位于第一象限，因此θ位于［0，π/2］.

图3　几何椭圆拟合示意

利用拟合断面差表示隧道变形采用非迭代椭圆特定算法得到以原点为中心的拟合椭圆，为方便对比，提取出定义椭圆的参数（两轴长度、椭圆中心位置、椭圆轴的倾斜角）.拟合椭圆的断面变形用分布式径向位移断面（DRDP）表示：DRDP=E1-E2.其中E1和E2分别为第一、二次扫描隧道点云利用上节所述几何椭圆拟合法所拟合出来的椭圆参数，ΔE1E2为两个椭圆的变化量.如果ΔE1E2为正，表示第二次扫描所获得的隧道断面比第一次扫描的隧道断面有收敛，反之，ΔE1E2为负则表示扩张.为了表示这种变化的趋势，定义一个径向位移断面（DDP），DDP=E1-ΔE1E2.

2.3基于点云的三维建模

传统的三维精细建模依赖于设计数据进行建筑物的几何建模，同时摄取建筑物的外部影像来创建模型纹理.利用这种方式创建的三维场景与实际有偏离，且成本高、工作量大、效率低.以三维激光扫描对目标扫描，得到的点云数据，重构三维物体表面，可提高三维建模的速度、精度，且真实感强，大幅节约时间和成本.为了适应大规模的三维场景的实时渲染和浏览，在激光点云环境下建模还应遵循最小数据量表现最丰富信息的原则，在不损失模型精度的前提下，尽量压缩单个模型的数据量.三维实景模型在AUTOCAD和3DMAXS中建立完成.

3　应用研究

根据以上描述方法，采用莱卡HDS8800激光扫描仪对穿黄隧洞进行扫描，分析中轴线及断面变形，并利用精简后的点云数据构建穿黄隧道模型，直观展示隧道整体变形趋势.对于穿黄隧洞的变形监测，测站以及控制标靶安装在隧洞体刚性结构体上，受到的变形影响较小，与被检测变形体距离在100m以内的地方，与较远的控制点构成绝对网，对隧洞体和控制标靶等进行多次扫描，整合每次扫描的点云数据，以首次扫描数据为参考基准，分析数次扫描所获取的数据变化，通过图像文字等表示变形情况，最后完成变形原因分析和变形预测.

图4　穿黄隧洞激光点云数据采集构造断面

在监测过程中，控制标靶和磁性贴片既是拼接扫描点云数据的基准点，也是网格坐标与仪器内部坐标转换媒介，它们的稳定位置将直接影响变形监测结果.因此，本文采用两种方法对其稳定性进行校验：1）内部几何校验：每次扫描后，提取每个控制标靶和磁性贴片的坐标，计算各点之间的距离以及各点组成的三角形的内角，比较计算结果与最初扫描结果，若误差低于容许误差，则认为点是稳定的.2）外部几何校验：运用GPS等仪器对控制标靶位置进行测量判断它们对于相对较远的控制点是否存在位移.如图4所示是利用莱卡HDS8800激光扫描仪对穿黄隧道扫描获得的一次激光扫描数据生成的断面成果.在获得多期扫描成果后，可利用相同位置的多期横断面相交的差来展示隧洞变形的大小.其成果如下图5所示.

经由上述工作，基于地基激光的三维可视化研究，可周期性地获取南水北调隧洞变形的信息及分析对比结果，又可以此为依托实现变形监测的可视化三维模型，极大地促进了监管的直观性及可视化.

4　结语

本项目采用三维激光扫描技术对穿黄隧洞进行多次扫描，快速获取隧洞在不同时段的点云数据和数码影像等三维立体信息.通过对激光扫描仪多次扫描数据的精确分析，确定隧洞体在软基中的形变情况，实现隧洞变形的高精度快速检测.研究理论与方法跟基于全站仪或GPS的变形监测方法相比，由于采用无接触测量，应用于难以企及的危险地段时优势明显，有效避免了基于变形监测单点或多点数据的变形分析结果所带来的局部性和片面性，克服传统测量方法只能间隔一定距离测量某一断面的弊端，并通过构建三维实景监测平台来实现形变监测可视化管理，是推进隧洞工程顺利进行，保障工程隧洞运行期检修的快速精确的有效监管方案.

图5　横断面对比分析示意图

［1］王令文，程效军，万程辉.基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究［J］.工程勘察，2013（7）:53-57.

［2］陈欣，江瑞龄.三维激光扫描技术在高速公路现役隧道变形监测上的应用［J］.工程技术，2013（35）:113-118.

［3］李健，万幼川，江梦华，等.基于地面激光技术的隧道变形监测技术［J］.地理空间信息，2012（1）:14-17.

［4］简骁，童鹏.基于地面激光雷达技术的隧道变形监测方法研究［J］.铁道勘察，2011（6）:19-21.

Three-dimensional Visualization Monitoring for Tunnel Based on Three-dimensional Laser Scanning Technology

CAO Xi，ZHONG Liang

（Institute of Remote Sensing&Digital Engineering，Changjiang Spatial Information Technology Engineering Company，Wuhan 430010，China）

Three-dimensional laser scanner has been widely used in a variety of engineering construction regarding its high scanning rate，high data accuracy，high efficiency and easy operation.This paper presents a framework for monitoring tunnel deformation using high-accurate terrestrial laser scanning data.In order to detect the tunnel deformations，the presented framework first computes and analyzes tunnel profiles from the scanned tunnel data，which is an integration of multiple-station and multiple-period scans.Then，we reconstruct 3D models of the tunnel from the scanned terrestrial laser scanning data for visual management.The experiments on the Yellow River tunnels in the south-to-north water diversion project show that the presented tunnel management framework is applicable and feasible to monitor and locate the deformations using terrestrial laser scanning data.

Tunnel deformation monitoring；Three-dimensional laser scanning；Three-dimensional visualization monitoring

TP313

A

2095-4476（2016）08-0008-04

2016-07-07；

2016-08-31

曹曦（1982—），男，湖北宜都人，长江空间信息技术工程有限公司（武汉）遥感数字工程院工程师.

（责任编辑：陈丹）