唐 琨，戴 鑫，黃祖登

（1.天津市測繪院，天津 300381）

基于三維激光掃描的隧道變形監(jiān)測方法研究

唐 琨1，戴 鑫1，黃祖登1

（1.天津市測繪院，天津 300381）

對隧道變形監(jiān)測方法進行了研究，提出一種通過中軸線上節(jié)點坐標偏移的方法提取變形量，用區(qū)段擬合方法提取中軸線節(jié)點；給出了利用三維激光掃描進行隧道變形監(jiān)測的實施步驟。實驗分析表明，該方法切實可行，滿足變形監(jiān)測的精度要求。

三維激光掃描；隧道變形監(jiān)測；區(qū)段擬合

三維激光掃描技術是一種非接觸式主動測量技術，不同于傳統(tǒng)的單點測量。該技術通過掃描可以快速獲取高密度、高精度、大范圍的海量點云數(shù)據(jù)，得到目標表面的三維坐標，其掃描速度可達數(shù)萬點每秒。

傳統(tǒng)的隧道變形監(jiān)測，一般采用掛鋼尺抄平和鋼尺式收斂計等接觸方式進行，雖然操作簡單，但工作量大且無法進行三維觀測。非接觸三維測量以測量機器人監(jiān)測為主，雖然可提供三維坐標，但仍局限于單點測量，無法快速獲取整體變形信息[1]。本文研究基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的隧道變形監(jiān)測方法，用斷面中心偏移方法提取變形信息。

1 提取方法

在隧道變形監(jiān)測中，變形信息的提取是關鍵。本文思路如下：①對隧道整體或局部進行三維激光掃描，確定合適的基準面，并以合適的厚度、間距對掃描數(shù)據(jù)進行橫斷面切片處理，提取斷面點云中心；②通過對多期隧道掃描數(shù)據(jù)中相同位置處的斷面中心進行坐標比較，提取變形信息。

為準確提取橫斷面中心，本文提出了區(qū)段擬合法，其思路為：將斷面切片點云按一定的規(guī)則分為若干區(qū)段，分別擬合獲取各區(qū)段點云中心，再由各區(qū)段點云中心擬合得到該斷面中心。具體步驟如下：

1）計算假中心點，建立坐標系。將斷面點云投影于YOZ平面，對點云進行重心擬合，計算得到斷面假中心點O'，以O'為原點建立極坐標系。

2）截取區(qū)段點云。以合適截取角度?，按順時針方向截?。?，?），（?，2?），…，（n?-?，n?）各區(qū)段內(nèi)點云，其中n=360°/?。

3）獲取區(qū)段點云中心。設置閾值q，若某區(qū)段內(nèi)點云數(shù)量Pm（m∈N，1≤m≤n）大于q，則重心擬合獲取該區(qū)段中心Om；若Pm小于閾值q，說明該處點云存在空洞，則由相鄰區(qū)段Om-1、Om+1中心擬合得到該區(qū)段中心，Om=（Om-1+Om+1）/2。

4）獲取斷面點云中心。對n個區(qū)段中心進行重心擬合，得到該橫斷面點云的中心O，O=（O1+ O2+…+On）/n。

由于掃描獲取的原始點云坐標基于激光掃描儀的測量坐標系，而截取區(qū)段過程中采用的是極坐標，因此，需要先進行坐標轉換。具體計算過程如下：

1）在測量坐標系中，假中心點O'三維坐標為（x0，y0，z0），點云中任一點P三維坐標為 （x，y，z），則在YOZ平面的投影坐標為（y，z）。

2）測量坐標系轉換為直角坐標系。在以O'為原點的直角坐標系O'-yz中，O'坐標為（y，z），平移向量為a=（-y0，-z0），因此，點P在O'-yz中坐標為（y-y0，y-z0）。

3）直角坐標系轉換為極坐標系。在以O'為原點的極坐標系O'（ρ，θ）中，由y=ρcosθ，z=ρsinθ，其中解得點P在極坐標系O' （ρ， θ）中的坐標為

本文首先引入電機輸入電能與機器人機械能兩個能耗指標，將這兩個指標作為目標函數(shù)進行不同拾放軌跡的參數(shù)優(yōu)化仿真，并在樣機上進行了實驗驗證；然后通過不同的最優(yōu)參數(shù)軌跡的數(shù)據(jù)求出能耗值，得出具有Bang-bang速度分配方式的分段多項式曲線為最優(yōu)拾放軌跡；最后通過不同拾放點與不同軌跡周期試驗，展現(xiàn)出最優(yōu)軌跡具有空間與時間上的可重復性，對不同工業(yè)現(xiàn)場的高速拾放操作具有現(xiàn)實的指導意義。本文為機器人軌跡的能耗比較提供了可參考的方法。

2 實施步驟

1）布設測站。針對隧道結構特點并結合實地環(huán)境，在保證各測站間有點云重疊[2,3]，且掃描能涵蓋目標物的前提下，盡量少布設測站。

2）布設標靶。在隧道合適位置布設標靶作為數(shù)據(jù)后處理過程中點云配準的參考信息，并確定斷面截取基準面。

3）采集數(shù)據(jù)。選擇合適的三維激光掃描儀對隧道進行掃描，采集三維數(shù)據(jù)。為提高精度，可在多期掃描過程中選取相同的測站，并將掃描儀放置于相同的控制點。

4）數(shù)據(jù)處理。對原始點云進行裁剪、去噪，并將各站點云配準鏈接后，以適宜厚度、間距對數(shù)據(jù)進行斷面切片處理，并采用區(qū)段擬合方法提取斷面中心。

3 實驗分析

使用Riegle+Z420i三維激光掃描儀對某電纜隧道進行變形監(jiān)測實驗，于2012-12-06、2013-04-19進行兩次掃描。如圖1所示，該段實驗隧道為長約50 m，直徑約3 m的矩形隧道，分別在隧道的15 m、35 m處布設控制點并架設掃描儀。同時在隧道中段25 m處布設固定點并架設4個粘有圓形標靶的棱鏡[4]，作為點云配準以及斷面基準，如圖2所示。設置隧道掃描分辨率3 mm×3 mm，并以1 mm×1 mm分辨率對標靶進行精掃。第一次掃描獲得104 343 726個點，第二次掃描獲得103 726 871個點。

圖1 隧道掃描實驗

圖2 布設掃描標靶

3.1 數(shù)據(jù)處理

使用RiSCAN-PRO軟件對原始點云進行裁剪、去噪處理[5]，剔除電燈、人員等噪聲數(shù)據(jù)，并采用四元數(shù)算法[6,7]對各測站點云進行配準，得到的隧道點云如圖3所示。采用Realworks軟件的“Cutting Plane Tool”工具對隧道點云進行斷面切片處理，以固定標靶位置為基準面，以10 cm厚度、50 cm間距截取切片點云，得到有效橫斷面91個。某層切片點云如圖4所示。

圖3 處理后隧道點云

圖4 處理后隧道點云

采用區(qū)段擬合方法對91個斷面切片點云進行處理，提取斷面中心，設置截取角度為3°，每個斷面得到120個點云區(qū)段，每個區(qū)段包含約90個點，分別進行重心擬合得到區(qū)段中心，再由所有區(qū)段中心擬合得到斷面中心。

3.2 變形信息提取與分析

對前后兩期掃描中得到的隧道斷面中心坐標分別在X、Y、Z 3個方向上進行差值比較，可知在Z方向體現(xiàn)為沉降變形，在X、Y方向表現(xiàn)為水平變形。結果如圖5～7所示。

圖5 橫斷面Z方向坐標差值

圖6 橫斷面X方向坐標差值

P258

B

1672-4623（2016）04-0097-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.030

2014-07-02。