马朝阳

1交通运输部天津水运工程科学研究所 天津 300456

2天津水运工程勘察设计院 天津水运工程测绘技术重点实验室 天津 300456

正文：

一、传统监测方法概述

所谓变形监测，就是利用一定的监测设备和监测技术对变形体产生的变形进行长期间断监测的过程，通过分析变形数据对变形体进行评价以及预测变形的发展趋势和造成的后果。对于隧道进行监测的目的也是如此。当前，隧道工程中常使用的监测方法有变形监测非大地测量方法和变形监测传统大地测量方法。变形监测采用的方法很多，根据原理的不同，分类方式也不同。在测量方式上，可以将测量方式分为电测、机械测量和物理测量等。通常对于非大地监测时，主要是将测量的设备与监测的对象进行固连，实现观测上的直接接触。而对于传统大地监测，因为涉及的范围较大，因此采取的测量方式主要为三角测量、交会测量和水准测量。上述的三种方式是较为传统的测量方法，导致在具体的工程测量中，对于测量人员的劳动强度放大，自动化的程度也较低，导致精度也较差，为此当前基于大地测量积极地研发新的技术，而地面三维激光扫描技术就是其中一种较为先进、应用广泛的新技术。

二、三维激光测量技术

1、地面三维激光扫描仪的选择

隧道工程的变形监测采取的三维激光测量技术，具有测量速度快、精度高、测量的数据多等特点，不仅极大程度的提高了监测的精度，也大大的缩短了人工的耗时，因此使用的范围广泛。当前，市场上用于隧道变形监测的地面三维激光扫描设备的种类较多，型号和厂商的不同，导致设备的性能指标存在差异。为此，在充分考虑隧道监测的要求后，选择合适的扫描仪非常重要。当前在隧道变形中一般使用的地面三维激光扫描仪在参数上要求对于有效扫描距离、扫描精度在百米的误差和扫描上的重复误差都有较为精确对规定，同时对于水平面上的扫描范围和垂直面上的扫描范围也有较为精确的规定，在实施隧道变形监测过程中需要注意 。

2、点云数据拼接与坐标转换

地面三维激光扫描技术在对隧道的点云数据进行采集时，主要是借助测量基站作为测量的中心点，由于测量过程中需要多次变换方向进行数据的采集，为此要设置多个测量站点，将多个位置获取的点云拼接成一个整体，这样才可以实现多幅点云数据的整合分析，为此首先需要进行坐标系的转化实现多个位置测量的点云数据进行合并，这是进行变形监测的前提和必备。实现坐标系统一的方法，在实际应用中主要有两种：一是对多个站点测量的数据进行配准，一般配准需要借助三个以上的标准点作为配准的大地坐标，进而实现点云的转化；二是在每个大地测点设置多个参照点，一般要求参照点多于三个以上，然后将每个参照点转换到大地坐标系下。但是在具体的实际监测过程中，由于对每个测点进行监测较为困难，常常使用第二种转换方式，实现隧道变形数据的转换。

3、点云数据的滤波

三维激光扫描设备在进行数据采集时，由于测量的环境温度湿度的影响、测量设备的震动及隧道内部的粉尘等因素，导致测量的点云数据不可避免的采集到一些误差较大或者不太合理的数据，这就是所谓的噪点。这些由于误差导致的点对于监测的精确性有着巨大的不良影响，为此需要进行剔除和清除。一般通过滤波的形式对这些噪点进行清除。对于噪点的去除过程主要是依据点云的属性，以及点云的法向量的变化状态等信息来判断一个点是不是噪点，这是进行去除噪点的依据，一旦通过上述的判据推测出一个点属于噪点，系统会自动采取预设的滤波方法进行处理。孤立的噪点因为不存在与其他点的联系，因此判断起来较为简单，因此去除也较为容易。

三、隧道地面激光监测技术

1、现场工作方案

（1）现场踏勘与定点

对于隧道变形的监测，首先需要对隧道的观测段进行现场的勘测，并做一定的准备工作。准备工作主要包括获得隧道监测段的地形、空间信息和隧道变形的发展趋势。首先需要对激光扫描仪的参数进行设置，内容包括扫描需要达到的扫描精度、扫描设备的分辨率设置以及具体的扫描站点的点位。为了提高扫描质量，需要验证控制点的位置合理性和科学性。在完成上述工作后还需要结合大地测量的条件和对站点的布置设置多站点扫描监测的方案和获得的点云数据配准和拼接。需要注意的是，在布置扫描站点时，需要考虑获得数据上的统一性，为此对相邻站点的布置应该保证获得的点云数据具有25%以上的重复区域，并保证相邻站点有三个以上的标志点重合，这样才能提高后期点云数据拼接的质量，实现多幅点云数据的无缝衔接，进而形成完整的监测数据网络，最终提高隧道变形监测和破损测量的效率和质量。

（2）实施扫描

在前面设置的扫描基点位置，布置激光扫描仪。为了避免扫描仪被隧道内的护栏和车辆所遮蔽，需要将扫描仪架在较高的位置，这样也可以在扫描光束与地面角度较大的情况下提升扫描的精确度。扫描前，首先需要将扫描的区域调整到扫描仪的视野范围内，这样可以极大地提升扫描仪扫描不必要区域的时间消耗，提升扫描的效率。扫描中，一般采取高速扫描的方式，激光点距要求较小，扫描后也要及时检测扫描的结果，以免出现漏扫的区域。扫描同时对隧道区域进行拍照，获得隧道扫描区域的色彩和纹理等信息，实现图像和扫描数据之间的对比，为扫描提供参考，进而实现扫描数据的精确采集。

2、数据处理

扫描获得数据后，干扰导致噪点和错误点数量居多，为此需要首先进行过滤除杂，过滤一般是使用预先设置的算法来进行自动处理的。数据过滤除杂后，需要将多幅点云进行拼接，一般还要进行坐标系统一。拼接完成后，各个点云间的拼接精度一般不宜超过5mm。完成数据的处理后，分析数据断面结果来研究隧道的变形状况等信息。

结束语：本文简单阐述了传统监测方法与三维激光测量技术，并重点对地面三维激光扫描技术在隧道工程中现场工作方案和数据处理的应用中关于扫描前的实地勘测、扫描的具体实施环节、扫描数据的处理等进行了详细的论述和探究，旨在提升三维激光扫描技术在隧道变形监测中的应用技术。