CN104680579B - 基于三维扫描点云的隧道施工信息化监测系统 - Google Patents

Abstract

基于三维扫描点云的隧道施工信息化监测系统，采用三维激光扫描点云测量技术采集隧道全断面空间结构的坐标信息、强度信息、灰度信息和像元信息等，进行自动滤波处理和点云数据自动拼接，生成隧道二维平面模型和三维空间模型；采用“5S”并行通讯方法实现监测数据和数据流不间断实时传输；引入时间、运动和转动多维坐标轴，描述在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，数据滤波和数据分析，实现监测和分析结构与工程施工信息无接缝对接；基于物联网技术，采用B/S架构，三层体系模式和七级安全管理，实现监测数据，超前预报和施工信息实时处理、更新、查询、浏览、三级预警预报和三级风险管理。

Description

基于三维扫描点云的隧道施工信息化监测系统

技术领域

本发明涉及一种隧道信息化施工监测和预警预报技术，属于地下工程施工监测和风险管理技术领域。

技术背景

近些年来，地下工程技术有着越来越多的广泛运用和夺目诱人的商业前景，在工程建设的众多技术领域中显得十分突出。然而地下工程项目具有隐蔽性大、技术复杂、作业循环性强、建设工期长、作业空间有限等特点，而且动态施工过程中的力学状态是变化的，围岩的力学物理性质也在变化，在实施过程中存在着许多不确定的不安全因素，使得地下工程成为一项具有高风险的工程项目。实现地下工程施工信息化管理，监控量测是地下工程施工的必要环节，是施工信息化的控制性基础工作，在岩土工程界也一直把监测技术和数据的分析与处理作为信息化技术研究的重点。

隧道等地下工程设计的基本特点是“地质环境复杂，基础信息缺乏”，其施工存在着很大的不确定性和高风险性，自从新奥法诞生以来，随着岩土理论及量测技术、数据库管理技术、计算机辅助设计等方面的发展，使隧道等地下工程施工迈进了“信息化”时代。隧道等地下工程也称为隐蔽工程，由于地质条件的不确定性和复杂性，给施工和安全带来很大的风险和隐患，采用有效的监测和信息化管理技术全方位的采集现场信息，进行科学的分析和预测可以避免和减少事故的发生，保证工程质量，但由于目前国内外监测技术和管理水平所限，地下工程信息化监测问题一直是地下工程的瓶颈和难点。

现有技术中存在的主要问题如下，

(1)数据采集过程人为影响因素和施工影响因素多，数据真实性不能得到保证，监测过程丢失了大量的与隧道施工有关的信息，不能够准确反映围岩的变形情况和进行风险预报。

(2)数据采集较慢，监控量测设备自动化、信息化程度低，数据后处理工作量大，占用很多人力、物力，影响施工信息的反馈和利用。

(3)采用三维直角坐标系统采集隧道变形信息，不能反映出隧道在地应力和施工因素等作用下产生的变形和隧道空间姿态变化情况，不能准确地描述隧道特征点和特征点的空间变化，影响监测数据的使用和正确展现。

(4)传统的监测方法数据采集较慢，且隧道内较为昏暗，不以准确定位测量点，容易出现测量偏差和误差。

(5)数据传输和存储受环境影响存在间断和连续，影响监测数据的实时更新和使用，不能及时指导工程信息化设计和工程施工。

(6)需要测量人员进入隧道工作，易对施工产生影响，且存在安全隐患。

(7)对监控量测所得数据和施工信息等无法进行快速分析，预警预报。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明采用的技术方案为基于三维扫描点云的隧道施工信息化监测系统，该系统包括数据采集、数据通讯、坐标转换、数据滤波、点云拼接、数据计算与分析、报表自动生成、预警预报、前端展示和数据安全模块；具体而言，(1)采用三维激光扫描点云测量技术采集隧道全断面空间结构的坐标信息、强度信息、灰度信息和像元信息等，进行自动滤波处理和点云数据自动拼接，生成隧道二维平面模型和三维空间模型；(2)采用“5S”(SMS、GPRS、BDS、GPS、WCS)并行通讯方法实现监测数据和数据流不间断实时传输；(3)引入时间、运动和转动多维坐标轴，描述在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，数据滤波和数据分析，实现监测和分析结构与工程施工信息无接缝对接；(4)基于物联网技术，采用B/S架构，三层体系模式(User Interface，BusinessLogic Laye，DataAccess Layer)和七级安全管理，实现监测数据(流)，超前预报和施工信息实时处理、更新、查询、浏览、三级预警预报和三级风险管理。

(1)隧道全断面信息采集和数据滤波

隧道全断面信息采集系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取隧道或者复杂物体的几何图形数据和影像数据，测量范围一般可选在50m左右，每秒可测量800000个左右点坐标信息、强度信息、灰度信息和像元信息等，采用自动测度计算的数据自动滤波处理和控制点自动拼接技术，生成隧道二维平面模型和三维空间模型。其优点在于能够保证了隧道监控量测数据的真实性，杜绝隧道监控量测数据的人为影响；同时可以加快数据采集以及处理的进度，使得监测数据与分析结果实时指导隧道施工，更好地满足了信息化施工的要求；节省人力、物力，节约成本，提高工作效率。

(2)“5S”数据传输

“5S”(SMS、GPRS、BDS、GPS、WCS)并行通讯技术实现监测数据和数据流不间断实时传输。包括短信平台、手机模块、卫星信号机、无线发射器、无线接收器、中心处理器和显示器等，各种配置数量视现场情况确定。

(3)隧道监测坐标系和坐标转换

隧道监测坐标系是一种六维坐标系统，定义隧道中线为一空间几何曲线，几何原点位于隧道中线上，在隧道六维空间坐标系下隧道中线的几何形态表达式为：y＝f(x_i,y_i,z_i,θ_i,β_i,t_i)，其中，X，Y，Z为隧道在测量三维几何坐标系下坐标值，θ隧道中线在某一点i的水平转角(偏角)，β为隧道中线在某一点i的竖向转角(偏角)。对于基于三维激光测量技术所采集的点云数据，引入时间、运动和转动等多维坐标轴，描述隧道在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，实现监测和分析结构与工程施工信息无接缝对接；把三维空间直角坐标系转换成隧道监测坐标系。定义在某一时间t，隧道中线的竖向转角和水平转角均为零，可以把隧道六维空间坐标系统简化为以隧道中线方向为X坐标，以点到中线的距离为Y，以隧道高度为Z坐标的三维空间坐标系，实现横断面切片和监测三维点云数据处理。

(4)特征点的提取

(a)以Y坐标(隧道中心点里程)的整公里数为基准提取断面，以S的倍数或任意值取监测断面，即断面里程分别取k1，k2，k3等；(b)以断面里程±m范围内数据作为当前断面数据，X，Z取平均值作为当前断面上观测点的坐标值。Y＝Y±n；(3)取出max(Zi)＝Hi，即取断面上高程最大值为A点高程H_A；(c)以H_A-P＝H_BC，H_A-6＝H_DE，分别作为B，C和D，E点高程H_D，H_C，H_B，H_E；(d)当Z＝H_BC±n，X＝max((Xi)，(Xi)-n)/X＝mix((Xi)，(Xi)+n)范围内点的X值作为B点X坐标值(X<0)，作为C点坐标值(X>0)；(e)6当Z＝H_DE±n，X＝max((Xi)，(Xi)-n)/X＝mix((Xi)，(Xi)+n)范围内点的X值作为D点X坐标值(X<0)，作为E点坐标值(X>0)；以上可得到断面上某一次观测的，A，B，C，D，E各点的X，Y，Z坐标。

(5)报表和分析曲线自动生成

系统根据处理后的监测数据按固定的格式自动生成统一的报表和分析曲线，包括日报表，周报表，月报表，拱顶沉降和变化速率随时间和距离掌子面距离变化曲线，净空收敛和变化速率随时间和和距离掌子面距离变化曲线，停测分析报告，预警预报通知书和隧道施工措施与建议书等。

(6)风险预警预报

系统根据隧道设计信息，施工信息，超前地质预报报告和监控量测分析结果，自动修正围岩分级，自动进行隧道施工三级风险管理等级评价和三级预警预报，以声、光、电和短信等形式发出风险通知、预警通知和施工措施建议书，指导隧道安全施工。

(7)信息安全管理

采用系统用户，部门用户，区域用户，项目用户，工点用户，施工单位用户和超级用户等七级安全管理，分别赋予不同的管理权限和使用权限，保证信息的安全使用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

本发明采用三维激光扫描技术，基于面的数据采集方式，能够快速、准确和非接触地获取隧道全断面原始点云数据和物体表面的三维数据信息，具有实时性、主动性和较好的适应性，可以对柔性、形状复杂、曲面不规则的物体进行快速、高精度扫描，且还原性好；所有点云数据采用“5S”传输技术，建立监测信息库，实现无接缝实时传输；基于物联网技术和B/S架构，在考虑时间、运动和转动因素的同时建立了六维隧道监测坐标系统，描述在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，采用逆向工程理论和数据属性识别理论，进行大数据处理和分析，得到隧道的实体模型与分析模型，实时浏览隧道任意点任意断面的净空变化情况，生成各种分析报表，结合隧道超前预报信息和施工信息，进行隧道超前预报和施工信息实时处理，更新，以声、光电和短信等形式进行预警预报和三级风险管理，保证隧道施工的安全，降低施工风险。

附图说明

图1隧道施工信息化管理系统架构。

图2隧道施工信息化管理系统数据查询和预警预报。

图3隧道施工信息化管理系统数据统计与关系曲线。

图4六维隧道监测坐标系统下宝峰隧道实体模型。

图5六维隧道监测坐标系统下宝峰隧道分析模型。

图6六维隧道监测坐标系统下宝峰隧道侵限对比图。

具体实施方式

如图1-6所示，基于三维扫描点云的隧道施工信息化监测系统，该系统包括数据采集、数据通讯、坐标转换、数据滤波、点云拼接、数据计算与分析、报表自动生成、预警预报、前端展示和数据安全模块；具体而言，(1)采用三维激光扫描点云测量技术采集隧道全断面空间结构的坐标信息、强度信息、灰度信息和像元信息等，进行自动滤波处理和点云数据自动拼接，生成隧道二维平面模型和三维空间模型；(2)采用“5S”(SMS、GPRS、BDS、GPS、WCS)并行通讯方法实现监测数据和数据流不间断实时传输；(3)引入时间、运动和转动多维坐标轴，描述在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，数据滤波和数据分析，实现监测和分析结构与工程施工信息无接缝对接；(4)基于物联网技术，采用B/S架构，三层体系模式(User Interface，Business Logic Laye，Data Access Layer)和七级安全管理，实现监测数据(流)，超前预报和施工信息实时处理、更新、查询、浏览、三级预警预报和三级风险管理。

(1)隧道全断面信息采集和数据滤波

隧道全断面信息采集系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取隧道或者复杂物体的几何图形数据和影像数据，测量范围一般可选在50m左右，每秒可测量800000个左右点坐标信息、强度信息、灰度信息和像元信息等，采用自动测度计算的数据自动滤波处理和控制点自动拼接技术，生成隧道二维平面模型和三维空间模型。其优点在于能够保证了隧道监控量测数据的真实性，杜绝隧道监控量测数据的人为影响；同时可以加快数据采集以及处理的进度，使得监测数据与分析结果实时指导隧道施工，更好地满足了信息化施工的要求；节省人力、物力，节约成本，提高工作效率。

(2)“5S”数据传输

“5S”(SMS、GPRS、BDS、GPS、WCS)并行通讯技术实现监测数据和数据流不间断实时传输。包括短信平台、手机模块、卫星信号机、无线发射器、无线接收器、中心处理器和显示器等，各种配置数量视现场情况确定。

(3)隧道监测坐标系和坐标转换

隧道监测坐标系是一种六维坐标系统，定义隧道中线为一空间几何曲线，几何原点位于隧道中线上，在隧道六维空间坐标系下隧道中线的几何形态表达式为：y＝f(x_i,y_i,z_i,θ_i,β_i,t_i)，其中，X，Y，Z为隧道在测量三维几何坐标系下坐标值，θ隧道中线在某一点i的水平转角(偏角)，β为隧道中线在某一点i的竖向转角(偏角)。对于基于三维激光测量技术所采集的点云数据，引入时间、运动和转动等多维坐标轴，描述隧道在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，实现监测和分析结构与工程施工信息无接缝对接；把三维空间直角坐标系转换成隧道监测坐标系。定义在某一时间t，隧道中线的竖向转角和水平转角均为零，可以把隧道六维空间坐标系统简化为以隧道中线方向为X坐标，以点到中线的距离为Y，以隧道高度为Z坐标的三维空间坐标系，实现横断面切片和监测三维点云数据处理。如图4，图5和图6。

(4)特征点的提取

(a)以Y坐标(隧道中心点里程)的整公里数为基准提取断面，以S的倍数或任意值取监测断面，即断面里程分别取k1，k2，k3等；(b)以断面里程±m范围内数据作为当前断面数据，X，Z取平均值作为当前断面上观测点的坐标值。Y＝Y±n；(3)取出max(Zi)＝Hi，即取断面上高程最大值为A点高程HA；(c)以HA-P＝HBC，HA-6＝HDE，分别作为B，C和D，E点高程HD，HC，HB，HE；(d)当Z＝HBC±n，X＝max((Xi)，(Xi)-n)/X＝mix((Xi)，(Xi)+n)范围内点的X值作为B点X坐标值(X<0)，作为C点坐标值(X>0)；(e)6当Z＝HDE±n，X＝max((Xi)，(Xi)-n)/X＝mix((Xi)，(Xi)+n)范围内点的X值作为D点X坐标值(X<0)，作为E点坐标值(X>0)；以上可得到断面上某一次观测的，A，B，C，D，E各点的X，Y，Z坐标。

(5)报表和分析曲线自动生成

系统根据处理后的监测数据按固定的格式自动生成统一的报表和分析曲线，包括日报表，周报表，月报表，拱顶沉降和变化速率随时间和距离掌子面距离变化曲线，净空收敛和变化速率随时间和和距离掌子面距离变化曲线，停测分析报告，预警预报通知书和隧道施工措施与建议书等。如图2，图3。

(6)风险预警预报

系统根据隧道设计信息，施工信息，超前地质预报报告和监控量测分析结果，自动修正围岩分级，自动进行隧道施工三级风险管理等级评价和三级预警预报，以声、光、电和短信等形式发出风险通知、预警通知和施工措施建议书，指导隧道安全施工。

(7)信息安全管理

采用系统用户，部门用户，区域用户，项目用户，工点用户，施工单位用户和超级用户等七级安全管理，分别赋予不同的管理权限和使用权限，保证信息的安全使用。

Claims (1)

1.基于三维扫描点云的隧道施工信息化监测系统，其特征在于：该系统包括数据采集、数据通讯、坐标转换、数据滤波、点云拼接、数据计算与分析、报表自动生成、预警预报、前端展示和数据安全模块；具体而言，实现该系统的方法过程如下，(1)采用三维激光扫描点云测量采集隧道全断面空间结构的坐标信息、强度信息、灰度信息和像元信息，进行自动滤波处理和点云数据自动拼接，生成隧道二维平面模型和三维空间模型；(2)采用“5S”并行通讯方法实现监测数据和数据流不间断实时传输；(3)引入时间、运动和转动多维坐标轴，描述在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，数据滤波和数据分析，实现监测和分析结构与工程施工信息无接缝对接；(4)基于物联网，采用B/S架构，三层体系模式和七级安全管理，实现监测数据，超前预报和施工信息实时处理、更新、查询、浏览、三级预警预报和三级风险管理；

更加具体的，各方法步骤实现如下，1)隧道全断面信息采集和数据滤波；

隧道全断面信息采集系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取隧道或者复杂物体的几何图形数据和影像数据，测量范围选在50m左右，每秒可测量800000个左右点坐标信息、强度信息、灰度信息和像元信息，采用自动测度计算的数据自动滤波处理和控制点自动拼接方法，生成隧道二维平面模型和三维空间模型；

2)“5S”数据传输

“5S”并行通讯技术实现监测数据和数据流不间断实时传输；包括短信平台、手机模块、卫星信号机、无线发射器、无线接收器、中心处理器和显示器，各种配置数量视现场情况确定；

3)隧道监测坐标系和坐标转换

隧道监测坐标系是一种六维坐标系统，定义隧道中线为一空间几何曲线，几何原点位于隧道中线上，在隧道六维空间坐标系下隧道中线的几何形态表达式为：y＝f(X_i,Y_i,Z_i,θ_i,β_i,t_i)，其中，X_i，Y_i，Z_i为隧道在测量三维几何坐标系下坐标值，θ隧道中线在某一点i的水平转角，β_i为隧道中线在某一点i的竖向转角；对于基于三维激光测量技术所采集的点云数据，引入时间、运动和转动多维坐标轴，描述隧道在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，实现监测和分析结构与工程施工信息无接缝对接；把三维空间直角坐标系转换成隧道监测坐标系；定义在某一时间t，隧道中线的竖向转角和水平转角均为零，可以把隧道六维空间坐标系统简化为以隧道中线方向为X坐标，以点到中线的距离为Y坐标，以隧道高度为Z坐标的三维空间坐标系，实现横断面切片和监测三维点云数据处理；

4)特征点的提取；

(a)以Y坐标的整公里数为基准提取断面，以S的倍数取监测断面，即断面里程分别取k1，k2，k3；(b)以断面里程±m范围内数据作为当前断面数据，X，Z取平均值作为当前断面上观测点的坐标值；Y＝Y±n；取出max(Zi)＝Hi，即取断面上高程最大值为A点高程H_A；(c)以H_A-P＝H_BC，H_A-6＝H_DE，分别作为B，C和D，E点高程H_D，H_C，H_B，H_E；(d)当Z＝H_BC±n，X＝max((Xi)，(Xi)-n)/X＝min((Xi)，(Xi)+n)范围内点的X值作为B点X坐标值，X<0，作为C点坐标值，X>0；(e)当Z＝H_DE±n，X＝max((Xi)，X<0时，(Xi)-n)/X＝min((Xi)，(Xi)+n)范围内点的X值作为D点X坐标值，X>0时，(Xi)-n)/X＝min((Xi)，(Xi)+n)范围内点的X值作为E点坐标值；以上可得到断面上某一次观测的，A，B，C，D，E各点的X，Y，Z坐标；

5)报表和分析曲线自动生成；

系统根据处理后的监测数据按固定的格式自动生成统一的报表和分析曲线，包括日报表，周报表，月报表，拱顶沉降和变化速率随时间和距离掌子面距离变化曲线，净空收敛和变化速率随时间和和距离掌子面距离变化曲线，停测分析报告，预警预报通知书和隧道施工措施与建议书；

6)风险预警预报；

系统根据隧道设计信息，施工信息，超前地质预报报告和监控量测分析结果，自动修正围岩分级，自动进行隧道施工三级风险管理等级评价和三级预警预报，以声、光、电和短信形式发出风险通知、预警通知和施工措施建议书，指导隧道安全施工；

7)信息安全管理；

采用系统用户，部门用户，区域用户，项目用户，工点用户，施工单位用户和超级用户七级安全管理，分别赋予不同的管理权限和使用权限，保证信息的安全使用。