胡玉祥,劉寶華,張洪德 ,范珊珊,熊文輝,孟慶年
(1.青島市勘察測繪研究院,山東 青島 266032; 2.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司,山東 青島 266000;3.青島市地下空間地理信息工程研究中心,山東 青島 266032)
地鐵投入使用后,隨著環(huán)境變換以及后期結構使用劣化,地鐵隧道不可避免出現各種病害,如何快速、準確、可靠地檢測各種病害,做出可行性評估,提前采取各種有力措施,保證地鐵線路的平穩(wěn)運行成為地鐵運營階段的重點和難點。常規(guī)病害檢測的方法是借助全站儀、站式三維掃描儀等,通過人工巡視,確認并記錄位置,但傳統(tǒng)手段費時費力、成本高且數據表達不夠直觀。隨著三維激光掃描技術、數字影像技術、通信技術、計算機技術以及測繪技術的發(fā)展,短時間內快速獲取隧道的狀態(tài)成為可能,借助三維激光移動掃描系統(tǒng),可以快速、高效、準確地獲得運營隧道的空間信息,通過后期的點云處理、影像配對、影像正射數字化,借助影像匹配算法可以準確識別裂縫、漏水以及管片錯臺等相關病害信息。移動軌道掃描車以人步行速度向前推進,借助慣導系統(tǒng)以及圖像獲取設備,全息、全面、快速獲取整個隧道相關信息,通過專業(yè)化后處理軟件處理,可實現軌面線、結構中心線及斷面的提取,收斂、橢圓度、旋轉、錯臺、接觸網導高分析,侵界檢測,里程配付等功能;根據點云反射率,生成隧道壁正射影像圖,可自動或人工識別滲水等病害信息并進行標注。
隧道結構病害對于地鐵安全運營至關重要,通過三維激光掃描技術,迅速獲取三維點云數據,可建立整條地鐵線路的病害數據庫。利用掃描生成的站臺及隧道點云數據,通過三維建模軟件,可以完成三維模型構建,通過采集車站及隧道紋理,完成三維模型的可視化展示。生成的模型可以用于展示、漫游,也可以作為保護區(qū)監(jiān)測等數據可視化展示的基礎;建立的病害數據庫可以用作決策、預防、后期對比應用,建立整條線路的智慧信息化系統(tǒng)平臺,為線路運營安全預防及調度提供保障。
三維激光移動掃描技術是近幾年發(fā)展起來的一種新的綜合測量技術,它是集激光掃描技術、實時定位技術、姿態(tài)測量技術、通信技術、計算機技術為一體的檢測系統(tǒng),在鐵路、地鐵結構與周邊環(huán)境檢測領域具有很好的應用前景,尤其適合于竣工后的地鐵隧道空間結構檢測。三維激光移動掃描系統(tǒng)采集與處理系統(tǒng)軟件是基于隧道內部復雜的環(huán)境,實現在隧道內移動快速采集激光掃描數據,并在后續(xù)的數據處理中實現直徑收斂和管片錯臺的形變數據解算,且可根據項目需求定制報表模板,一鍵自動生成直徑收斂、錯臺、滲漏病害等專題報表。
三維激光掃描儀的主要構造是一臺高速精確的激光測距儀,配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。地面三維掃描系統(tǒng)一般使用儀器自定義的坐標系統(tǒng):坐標原點位于掃描儀中心,X軸在橫向掃描面內,Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直,Z軸垂直于橫向掃描面組成左手坐標系,如圖1所示。
圖1 掃描坐標系
激光測距儀主動發(fā)射激光,同時接受由自然物表面反射的信號測算出原點O距激光掃描點的距離S;激光掃描系統(tǒng)通過內置伺服驅動馬達系統(tǒng)精確控制多面反射棱鏡的轉動,使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描,測得每個脈沖激光的橫向掃描角度α和縱向掃描角度θ。由此,可計算出掃描激光點在被測物體上的三維坐標為[3]:
(1)
三維激光移動掃描系統(tǒng)能夠對隧道及周邊實現全覆蓋移動掃描,在露天或隧道內都可以正常使用。該系統(tǒng)有著獨一無二的安裝設計,在隧道維護與整修環(huán)節(jié)能夠縮短項目周期,并提供測繪級精度的三維點云。
移動隧道掃描系統(tǒng)(圖2)通過整合強大的非接觸式里程計,可以在沒有GNSS信號的地鐵隧道里精確定位。
通過整合三維激光掃描儀、里程計、軌距測量儀等多種傳感器,三維激光移動掃描系統(tǒng)可獲取高質量的三維點云數據及專業(yè)的軌道檢測維護成果,電動前進無須停留,軌檢效率高達 5.4 km/h。適用于軌道檢測、線路管理維護、竣工分析、限界測量、凈空測量、軌道探傷等多個領域。
圖2 三維激光移動掃描系統(tǒng)組成
三維激光移動掃描隧道全息數據采集工作主要包括作業(yè)前準備、現場作業(yè)以及作業(yè)結束整理等步驟(如圖3所示)。
使用配套的數據采集軟件,建立項目,設置相關的掃描參數:作業(yè)方式、作業(yè)順序、隧道類型以及其他相關信息。在作業(yè)過程中還需要采集軌距相關信息,用連接線將采集設備軌距傳感器接口與筆記本電腦或工業(yè)平板電腦進行連接,然后點擊現場作業(yè)下的軌距,選擇對應的COM端口和采集頻率后點擊連接軌距傳感器。連接成果后可以點擊開始進行測量,點擊結束完成測量。
圖3 作業(yè)流程
(1)參數設置
對于盾構隧道,每一環(huán)都是有固定的6片管片拼裝而成,只是順序有差異,對于環(huán)片錯臺量計算首先需要設置6片管片的空間相對角度關系,這個角度對于不同地區(qū)可能略有差異,但通常一個地方是固定的。另外還得設置環(huán)寬和直徑等相關信息,管片參數設置如圖4所示。
圖4 管片參數設置
(2)影像標記
導入掃描的點云數據后,首先進行點云預處理,將點云數據展開成正射影像,通過KP塊完成數據糾正,此過程就是逐環(huán)標記KP塊位置,為后續(xù)點云處理提供位置信息。如圖5所示標記框,對于環(huán)號默認從1開始,也可進行手動更改;設置好環(huán)寬和初始里程后,隨著環(huán)號的增加,里程依次增加。
圖5 KP塊標記示意圖
(3)數據解算
經過上述過程后,下一步需要進行數據解算,解算需要設置參數:收斂測量、管片錯臺、過濾道床、隧道起止、軌道參數、儀器高度,錯臺閾值等(如圖6所示)。設置好相關參數后,一鍵處理即可得到相關數據,還支持報表導出、視頻漫游等功能。
圖6 參數設置示意圖
內業(yè)數據解算功能主要可以實現如下:
①隧道結構形變處理:可實現軌面線、結構中心線的提取;斷面提取;收斂、橢圓度、旋轉、錯臺、接觸網導高分析;侵界檢測;里程配付等功能。
②病害檢測系統(tǒng):根據點云反射率,生成隧道壁正射影像圖,可自動或人工識別滲水等病害信息并進行標注。
三維激光移動掃描系統(tǒng)通過在軌道上運行獲取整個隧道正射影像及三維空間點云,通過后期的點云處理、影像配對、影像正射數字化,借助影像匹配算法可以準確識別裂縫、漏水以及管片錯臺等相關病害信息。同時可實現相關幾何尺寸的提取,進而得到相關的侵界分析情況。以青島市勘察測繪研究院中標的青島地鐵2號線運營監(jiān)測項目,選取某個區(qū)間的三維激光移動掃描數據,進行相關的分析。
限界分析就是分析盾構區(qū)間環(huán)線斷面尺寸和設計尺寸的差異,如果實際尺寸和設計尺寸相差較大,就會造成后續(xù)軌道鋪設以及設備安裝等過程不能正常進行。經過移動掃描系統(tǒng)掃描后的數據,經過后期處理,對指定里程的點云進行切割、離散化處理,就可以得到對應里程的斷面尺寸,然后和設計斷面進行對比即可獲得該里程的限界分析結果,地鐵隧道限界尺寸示意圖和分析圖如圖7所示。
圖7 地鐵隧道限界尺寸示意圖和分析圖
錯臺分析包括環(huán)與環(huán)之間的錯臺以及環(huán)之間管片與管片之間的錯位,如圖8、圖9所示,經過2.4中(1)的參數設置后,可以計算出指定里程的管片之間以及環(huán)與環(huán)之間的位移量。
圖8 錯臺環(huán)與環(huán)分析圖
圖9 錯臺環(huán)分析圖
三維激光移動掃描系統(tǒng)獲取的三維點云數據中不僅包含坐標信息,還包含反射強度信息,利用RGB反射強度信息可以判讀出滲水信息,如圖10、圖11所示。
圖10 里程YK11+681處有滲水
三維激光移動掃描系統(tǒng)是借助軌道小車,將傳統(tǒng)的站式掃描儀固定在小車上,實現勻速掃描獲取隧道空間三維點云數據的過程。由于在掃描過程中可以保持勻速前進,因而可以保證整個區(qū)間隧道點云密集程度的一致性,從而可以獲取高質量正射影像。通過圖像識別技術可以從影像信息中獲取比如滲水、裂縫等病害信息,極大提高了作業(yè)效率。三維激光點云數據同時含有三維坐標信息,因而可以獲取比如空間尺寸、限界分析等與空間形態(tài)有關的幾何信息。同時三維激光點云數據可以作為隧道的原始數據存檔,用于后續(xù)的線路規(guī)劃、檢查、展示等二次開發(fā)利用。本文借助青島地鐵2號線某盾構隧道區(qū)間,分析了三維激光移動掃描系統(tǒng)的相關應用,為類似工程提供很好的借鑒。
圖11 區(qū)間滲水情況影像強度示意圖
但從目前來看,三維激光移動掃描系統(tǒng)在地鐵隧道中的應用有待進一步的提升和擴展,尤其是點云數據處理算法方面有待進一步深入。隨著各個地區(qū)城市軌道交通的迅速發(fā)展,加之測繪技術手段日新月異,三維激光掃描技術勢必會在地鐵中得到廣泛的應用。