許正文(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200438)

基于ArcGIS的隧道激光掃描影像專題制圖

許正文
(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200438)

傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)病害調(diào)查主要使用人工現(xiàn)場(chǎng)拍照巡檢，存在信息量單一、人為因素影響大、容易漏檢等缺點(diǎn).激光掃描技術(shù)是一種新型快速檢測(cè)技術(shù)，無需外部光源和輔助措施，可同步獲取隧道結(jié)構(gòu)變形和高分辨率影像數(shù)據(jù).以隧道激光掃描影像為底圖數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件的矢量化和專題圖制作功能，實(shí)現(xiàn)了病害的判讀識(shí)別與矢量化、附屬設(shè)施設(shè)備分布的專題圖.經(jīng)近160 km的工程應(yīng)用檢驗(yàn)，認(rèn)為該專題圖能夠滿足隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)保障的需要.

隧道病害；激光掃描；專題制圖

隨著城市地鐵建設(shè)的快速推進(jìn)，大量隧道結(jié)構(gòu)在竣工投入運(yùn)營(yíng)后，受施工質(zhì)量、沿線地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)性能退化等綜合因素的影響，尤其是軌道交通沿線大量建設(shè)工程的疊加影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形、漏水(泥)、襯砌裂損及混凝土掉塊等病害.當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)的病害趨于嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響其服役功能，甚至引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)事件或事故.如何快速、及時(shí)、高效地發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的病害，為隧道結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控、維修決策提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1].

本文利用ArcGIS軟件制作了隧道激光掃描影像專題圖，可應(yīng)用于隧道內(nèi)壁病害、設(shè)施設(shè)備的定量比較、統(tǒng)計(jì)分析和日常管理.

1 應(yīng)用背景

三維激光掃描技術(shù)則可以同步獲取幾何變形和影像信息，可以針對(duì)隧道內(nèi)的滲漏水(泥)、管片破損等表觀病害進(jìn)行量測(cè)和跟蹤對(duì)比，收集隧道內(nèi)壁的附屬設(shè)施等其它有效信息等，能夠更為全面直觀地描述隧道病害現(xiàn)狀.目前國(guó)內(nèi)外已嘗試基于激光影像開展特征提取或工程制圖，但尚未研究基于專業(yè)制圖軟件開展隧道內(nèi)壁外像的專題制圖。例如宋妍[2]、楊林[3]等嘗試使用激光掃描影像，制作隧道地質(zhì)圍巖信息、編制影像成果報(bào)告等；王泰典等[4]嘗試對(duì)隧道襯砌裂縫的影像進(jìn)行特征提取和數(shù)字化保存，應(yīng)用于隧道病害的調(diào)查.

激光掃描影像為假彩色灰度影像，需經(jīng)處理以增強(qiáng)判讀的效果，如將黑白灰度顏色調(diào)整為與隧道混凝土顏色接近，或者經(jīng)影像增強(qiáng)措施后突出顯示滲漏水等典型病害.處理之后的反射率影像更接近人眼視覺效果，然后借助ArcGIS等測(cè)量專業(yè)軟件進(jìn)行點(diǎn)、線、面的矢量化判讀，并最終根據(jù)業(yè)主要求完成隧道病害及附屬設(shè)施的專題制圖[5].

2 制作隧道激光掃描影像

對(duì)于實(shí)體的單圓盾構(gòu)隧道而言，可將其抽象為一組標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，各圓柱體按照軸線方向有序拼接而成，從而將連續(xù)的隧道分解為單個(gè)規(guī)則的圓柱體模型.將各圓柱體側(cè)面圖按數(shù)學(xué)投影原理展開至平面，并保持其沿隧道軸線(里程)方向上的連續(xù)性，稱之為“隧道斷面的正射投影”.經(jīng)平面旋轉(zhuǎn)、坡度校正后，各圓柱體的側(cè)面圖展開為規(guī)則的矩形，將各連續(xù)矩形拼接形成連續(xù)的二維平面[6].圓柱體的展開、拼接示意圖(見圖1).

圖1 單圓隧道按圓柱體展開示意圖

圖1所示的襯砌環(huán)進(jìn)行逐環(huán)分段圓柱投影，投影后的X坐標(biāo)為各點(diǎn)所在里程，Y坐標(biāo)為圓柱投影弧長(zhǎng)，其中：弧長(zhǎng)l=α×R，α—豎直角，R—圓半徑.

投影后的激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)插值所生成的灰度影像分辨率最高可達(dá)3 mm，也可精確求解隧道的水平弦長(zhǎng)[7]等尺寸信息，具有精確的幾何量測(cè)和病害信息判讀功能.影像信息經(jīng)處理后(見圖2)，可快速經(jīng)濟(jì)的發(fā)布到單位局域網(wǎng)內(nèi)部平臺(tái)，方便日常監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)調(diào)查、內(nèi)壁附屬設(shè)施管理、應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮等.

圖2 三維激光掃描數(shù)據(jù)生成的隧道正射影像

3 激光掃描影像專題制圖

隧道內(nèi)壁的附著物表觀特征存在一種先驗(yàn)知識(shí)，如常見的電纜、管道、道床、照明設(shè)施、表觀病害痕跡等.三維激光掃描儀所采集的高質(zhì)量空間坐標(biāo)和激光反射率信息，經(jīng)正射投影和插值解算處理后，即可提供可量測(cè)的隧道內(nèi)壁正射影像.借助先驗(yàn)知識(shí)、隧道內(nèi)壁影像及視覺增強(qiáng)工具，辨別影像與實(shí)際物體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并用幾何元素圈定范圍和賦予屬性代碼，稱之為隧道影像的解譯.

隧道影像解譯的主要要素包括：(1)大小.利用二維影像量取隧道內(nèi)壁常見特征的真實(shí)尺寸信息；(2)形狀.隧道內(nèi)壁附著物在圖像中會(huì)呈現(xiàn)出特殊的形狀；(3)陰影.隧道內(nèi)壁掃描時(shí)存在遮擋導(dǎo)致陰影；(4)顏色.反射率細(xì)節(jié)可輔助識(shí)別材質(zhì)類型；(5)紋理.指與色調(diào)配合看上去平滑或粗糙的紋理的粗細(xì)程度；(6)圖案，根據(jù)線纜等目標(biāo)物有規(guī)律的排列而形成的圖案；(7)位置及與周圍的關(guān)系.根據(jù)(1)—(6)再加上各區(qū)域的地理特色及判讀者的專業(yè)知識(shí)等，就可以確定解釋的結(jié)果[8].

ArcGIS軟件支持的常見幾何特征包括點(diǎn)狀、線狀和面狀等多類.一般隧道內(nèi)壁附著物(病害信息)

可分為點(diǎn)狀、線狀和面狀三類(見表1,圖3).也可采用人工判讀或計(jì)算機(jī)輔助判讀等方法提取隧道內(nèi)壁物的幾何特征及屬性信息.

表1 按點(diǎn)、線、面狀分類的隧道內(nèi)壁主要附著物

圖3 點(diǎn)、線、面三類附著物提取示例

實(shí)際判讀作業(yè)時(shí)，先將隧道內(nèi)壁影像的像素灰度值設(shè)置為0或255，所有灰度大于或等于閾值的像素被判定屬于特定物體，其灰度值為255，否則這些像素點(diǎn)被排除在物體區(qū)域以外，灰度值為0.

ArcGIS中影像二值化操作(見圖4)，其中閾值需根據(jù)不同的影像情況進(jìn)行調(diào)整，并非固定值.二值化后的隧道影像，滲水和濕跡等隧道病害情況被凸顯出，而大量不需要的信息被過濾.

圖4 ArcGIS圖像二值化設(shè)置

二值化處理完畢后即可進(jìn)行自動(dòng)矢量化.ArcScan提供一套強(qiáng)大的、易于使用的柵格矢量化工具.用這些工具可以自己創(chuàng)建要素，也可以把柵格數(shù)據(jù)的一部分或全部矢量化成矢量要素.由于自動(dòng)矢量化是ArcScan中的一個(gè)模塊，因此若要使用該功能，首先需確保擴(kuò)展模塊中的ArcScan已被選中，并在工具條中勾選相關(guān)條目.矢量化后的圖像仍存在一些非病害數(shù)據(jù)，需要人工判定并將其刪除.

隧道正射影像經(jīng)拼接后，其狹長(zhǎng)的線性特征導(dǎo)致其難以保存為單一頁面文件，需將其按照一定的分頁要求制作為標(biāo)準(zhǔn)頁面的圖冊(cè).利用ArcGIS軟件的帶狀地圖冊(cè)創(chuàng)建功能，可方便地按照環(huán)號(hào)或里程參數(shù)制作標(biāo)準(zhǔn)分幅的影像圖(見圖5).已采用三維激光掃描影像技術(shù)，為上海、南京、杭州、佛山等城市地鐵制作近160 km的隧道掃描影像專題圖，較好地滿足了地鐵業(yè)主單位在隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)保障方面的實(shí)際需求.

圖5 按20環(huán)1頁、A3橫排幅面生成的隧道病害現(xiàn)狀影像圖集

4 結(jié) 論

本文將隧道病害根據(jù)幾何特點(diǎn)分為點(diǎn)狀、線狀和面狀病害三種，使用ArcGIS軟件通過人工或半自動(dòng)的方式從柵格影像中提取病害并保存為矢量格式，在此基礎(chǔ)上添加結(jié)構(gòu)病害、附屬設(shè)施等屬性信息，最后制作基于隧道激光掃描影像的病害專題圖.該隧道影像專題制圖成果可供隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)保障使用，也可進(jìn)一步應(yīng)用于隧道BIM建模、設(shè)施設(shè)備巡查等工作.

[1] 羅 鑫，夏才初.隧道病害分級(jí)的現(xiàn)狀及問題[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006(5):877-880.

[2] 宋 妍,王曉琳,李 洋,等.三維激光掃描技術(shù)與數(shù)碼影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)隧道圍巖信息采集應(yīng)用對(duì)比研究[J].隧道建設(shè)，2013,33(3):197-202.

[3] 楊 林.數(shù)字影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南京:河海大學(xué)，2003.

[4] 王泰典，林信宏，李佳翰，等.營(yíng)運(yùn)中隧道襯砌裂縫影像判釋暨特征化與數(shù)字化技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2010，30(S):100-108.

[5] 楊理臣,樊光潔.ArcGIS制圖和空間分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：測(cè)繪出版社，2011.

[6] 褚平進(jìn).基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的單圓盾構(gòu)隧道內(nèi)壁影像生成算法[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,28(1):58-62.

[7] 李家平.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的單圓盾構(gòu)隧道水平弦長(zhǎng)檢測(cè)[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,27(4)：53-59.

[8] 關(guān)澤群，劉繼琳.遙感圖像解譯[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

Tunnel Laser Scan Image Thematic Map Based on ArcGIS

XU Zheng-wen
(Shanghai Geotechnical Investigation and Design Institute Co., Ltd, Shanghai 200438, China)

By the impact of construction quality, geological conditions in metro protection zone, metro tunnel defect is increasingly prominent. Subject to the scene light condition, personnel experience and operation time limit, traditional defect inspection mainly uses scene photograph by people to inspect, which may miss key information or serious disease and vary between different inspectors. Laser scanning technology is a new type of rapid detection technology, dispensing with external light source and auxiliary measures, and can be synchronized to obtain the tunnel structure deformation and high resolution image data. This paper completes the thematic map of the tunnel wall disease, facilities and equipment by using ArcGIS software and tunnel laser scan image data. 160 km engineering application proves that the thematic map can meet the needs of tunnel maintenance and protection.

tunnel defect; laser scan; thematic map

2016-09-10

上海張江國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項(xiàng)發(fā)展資金重點(diǎn)項(xiàng)目(201505-CM-C105-006)

許正文(1984-)，男，湖北隨州人，碩士，工程師，主要從事激光掃描數(shù)據(jù)處理與工程應(yīng)用.

P208

A

1008-536X(2017)02-0058-05