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        地鐵隧道斷面收斂自動(dòng)化測(cè)量方法研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

        2018-10-25 05:32:38李維濤上海市建筑科學(xué)研究院上海200323
        建筑科技 2018年2期
        關(guān)鍵詞:樣條全站儀管片

        李維濤(上海市建筑科學(xué)研究院,上海 200323)

        地鐵運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)測(cè)要求具有時(shí)間短、精度高的特點(diǎn)。采用常規(guī)的斷面收斂測(cè)量方法,其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工作需要,數(shù)據(jù)量不能完全代表全斷面的收斂情況,數(shù)據(jù)精度也不能達(dá)到相應(yīng)要求。隨著免棱鏡自動(dòng)化全站儀的出現(xiàn),對(duì)地鐵隧道全斷面進(jìn)行快速掃描成為可能。

        本文基于 VC++ 和 GeoCOM 的全站儀自動(dòng)化測(cè)量模塊,采用帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)的免棱鏡全站儀對(duì)隧道斷面進(jìn)行全斷面、快速、精確的掃描,獲取隧道斷面的大量坐標(biāo)數(shù)據(jù);并采用基于 MATLAB 的數(shù)據(jù)處理技術(shù),對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,得到全斷面的斷面模型;再?gòu)哪P椭蟹治霁@取斷面收斂情況的相關(guān)特征值;最后通過(guò)特征值對(duì)隧道斷面的變形情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),生成收斂測(cè)量報(bào)表。

        1 收斂測(cè)量及分析流程設(shè)計(jì)

        首先在隧道斷面布設(shè)掃描控制點(diǎn),結(jié)合 ATR 免棱鏡全站儀,利用全站儀自動(dòng)采集系統(tǒng)的等角模式或者等弧長(zhǎng)模式,進(jìn)行坐標(biāo)自動(dòng)采集。為了保證數(shù)據(jù)處理的便利性,采集后的坐標(biāo)統(tǒng)一表示在平面采集坐標(biāo)系內(nèi)。其次,在平面采集坐標(biāo)系內(nèi),利用采集的坐標(biāo)系統(tǒng),采用橢圓擬合和分段擬合方式,對(duì)采集的坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,并將擬合的模型通過(guò)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,統(tǒng)一到橢圓坐標(biāo)系下。最后,在橢圓坐標(biāo)系下,求取橢圓的向徑,提取收斂特征值,并生成報(bào)表。利用隧道斷面收斂報(bào)表,結(jié)合對(duì)收斂數(shù)據(jù)的分析,即可得到最終的隧道收斂測(cè)量報(bào)告。斷面收斂測(cè)量流程圖,如圖1 所示。

        圖1 斷面收斂測(cè)量流程圖

        2 隧道斷面數(shù)據(jù)采集

        采用帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 Leica 免棱鏡全站儀,以全站儀中心O為原點(diǎn),豎直向上為 Z 軸,全站儀中心與起始點(diǎn)連線的水平投影為 X 軸,垂直于 XOZ 平面且起始點(diǎn)位于右手邊的面朝向?yàn)?Y 軸。即擬測(cè)量斷面為全站儀水平角讀數(shù)為 0°,垂直角范圍為 45°~315°(定義鉛垂向下為 0°)的鉛垂面。選擇等弧長(zhǎng)測(cè)量方式,全站儀按照角度遞增依次測(cè)量隧道斷面上測(cè)點(diǎn),并記錄其三維坐標(biāo),如圖2 所示。

        圖2 全站 儀收斂測(cè)量原理

        3 隧道斷面擬合

        隧道斷面初始為圓形,變形后呈橢圓形,故需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行橢圓擬合,進(jìn)行斷面收斂變形計(jì)算隧道斷面一般是由幾塊管片拼接而成,故此為了更加接近實(shí)際隧道管片變形情況,采用隧道斷面分段擬合的原理,即對(duì)各管片進(jìn)行分段擬合曲線,然后拼接成整個(gè)隧道的變形。管片的變形參數(shù)包含水平向變形、垂直向變形、管片轉(zhuǎn)角,收斂變形則是管片上某點(diǎn)到管片中心連線的長(zhǎng)度變化,如圖3 所示。

        圖3 管片變形

        圖3 中,管片轉(zhuǎn)角 θ 指管片前后兩次起止點(diǎn)連線(弦)的夾角,管片位移 ΔX、ΔY 指管片中點(diǎn)位置前后兩次在 X、Y方向的變化量。

        考慮到隧道管片變形前為預(yù)制的圓弧型,變形后不再為圓弧型,因此采用樣條曲線進(jìn)行擬合更為準(zhǔn)確。分段擬合采用3次樣條曲線進(jìn)行擬合。3 次樣條插值是一種分段插值方法,用分段的 3 次多項(xiàng)式構(gòu)造一個(gè)整體上具有函數(shù)、一階和二階導(dǎo)函數(shù)連續(xù)函數(shù)。

        假設(shè)函數(shù) f(x) 在區(qū)間[a、b]上的(n+1)個(gè)節(jié)點(diǎn) a=x0<x1< x2<…<xn-1<xn= b 及其對(duì)應(yīng)的函數(shù)值 f(x)=y(tǒng)i, ( i=0,1,2…,n),即給出(n+1)組樣本點(diǎn)數(shù)據(jù),就可以構(gòu)造一個(gè)定義在[a、b]上的函數(shù)S(x),該函數(shù)滿足式(1):

        S(x) 在每個(gè)小區(qū)間 [xi、xi+1](i=0,1,2,…,n-1)上都是一個(gè) 3 次多項(xiàng)式,見(jiàn)式(2):

        S(x),S'(x),S''(x) 在 [a、b]上連續(xù)。由式(2)可知,S(x) 是一個(gè)光滑的分段函數(shù),這樣的函數(shù)稱為 3 次樣條(Spline)插值函數(shù)。

        構(gòu)造的函數(shù) S(x) 是由 n 個(gè)小區(qū)間上的分段函數(shù)組成的。根據(jù)式(2),可在每個(gè)小區(qū)間上構(gòu)造出一個(gè) 3 次多項(xiàng)式,第 i 個(gè)小區(qū)間上的多項(xiàng)式 Si(x)=ai0+ai1x+ai2x2+ai3x3,共有n 個(gè)多項(xiàng)式,每個(gè)多項(xiàng)式都有 4 個(gè)特定系數(shù)。要確定這一 n個(gè)多項(xiàng)式,就需要確定 4n' 個(gè)獨(dú)立 ai0,ai1,ai2,ai3(i=0,1,2……,n)。為此,應(yīng)該找到包含這些系數(shù)的 4n'個(gè)獨(dú)立方程。

        根據(jù) S(x)滿足式(1),在所有的節(jié)點(diǎn)上可得出(n+1)個(gè)條件方程,見(jiàn)式(3):

        根據(jù) S(x) 滿足式(3),除兩端點(diǎn)在所有節(jié)點(diǎn)上外,又可得出 3(n-1) 個(gè)方程,見(jiàn)式(4):

        由式(4)可知,共有(4n-2)個(gè)獨(dú)立方程,還差兩個(gè),通常的辦法是在區(qū)間[a、b]的兩個(gè)端點(diǎn)上各加一個(gè)條件,即稱之為邊界條件。這樣,在已有(4n-2)個(gè)條件方程的基礎(chǔ)上,再加上任何一種邊界條件,即可求出 4n 個(gè)系數(shù),從而就可以求得 3 次樣條插值函數(shù) S(x)。

        4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

        依據(jù)以上原理開(kāi)發(fā)出的隧道斷面擬合分析系統(tǒng),如圖4所示。

        圖4 隧道斷面擬合系統(tǒng)

        5 結(jié) 語(yǔ)

        本項(xiàng)目主要研究了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)后處理兩個(gè)系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)相互配合,相輔相成,實(shí)現(xiàn)了隧道斷面收斂一體化工作。

        (1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全站儀自動(dòng)掃描隧道斷面坐標(biāo)點(diǎn),保證有足夠的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù),同時(shí)提高了外業(yè)的高效性。

        (2)數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。利用各種分析理論和計(jì)算機(jī)智能化技術(shù),實(shí)現(xiàn)了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)擬合、數(shù)據(jù)分析等一系列功能,保證內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的高效性。

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