CN106930784A - 基于三维激光扫描的隧道监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描的隧道监控方法，包括以下步骤：a、扫描得到隧道的三维点云数据；b、将三维点云数据进行去噪、拼接处理，得到隧道的整体点云数据；c、设置监控测量断面和监测点，以监测点为中心，提取一定范围的点云数据进行正态分布拟合，计算得到断面的拱顶沉降值和周边收敛值；d、根据隧道监控规范确定隧道拱顶沉降和周边收敛预警阈值，当步骤c得到的拱顶沉降值或周边收敛值超过拱顶沉降或周边收敛预警阈值时进行自动报警；e、每间隔一段时间重复步骤a到步骤d。本发明基于三维激光扫描，实现了对隧道拱顶沉降和周边收敛的监控以及隧道侵限分析及二衬厚度评估，提高了监控的工作效率及范围。

Description

基于三维激光扫描的隧道监控方法

技术领域

本发明涉及隧道监控领域。更具体地说，本发明涉及一种基于三维激光扫描的隧道监控方法。

背景技术

隧道监控量测是隧道工程必不可少的环节，是保证隧道工程安全的重要手段。传统的监控量测是对部分隧道断面的点进行监测，存在效率低、数据量少、工作量大、成本高等缺点，且需提前埋设监控点，这些监控点由于施工等原因可能遭到破坏，从而导致数据无法采集或数据不确定。

三维激光扫描采用激光测距的方式获取隧道的三维坐标，与传统的全站仪相比，无需提前埋设反射片，具有高密度、高精度、数字化、扫描速度快、无需自然光、数据量大，获得隧道的整体点云数据，从而可获得隧道三维整体变形情况。因此将三维激光扫描技术应用于隧道监控，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于三维激光扫描的隧道监控方法，通过将三维扫描数据与设计断面进行对比，分析拱顶沉降情况，得到拱顶沉降值和周边收敛值，并根据经验数据设置隧道拱顶沉降和周边收敛预警阈值，即实现了拱顶沉降值和周边收敛的报警，也直观的展示了隧道的拱顶沉降和周边收敛情况；同时通过将扫描数据与设计断面进行对比，分析断面侵限情况，得到侵限值，同时对初支扫描数据与二衬扫描数据进行对比，评估二衬厚度是否达标，并绘制各侵限分析断面的二维侵限分析断面图和各二衬厚度分析断面的二维二衬厚度断面图，实现了隧道侵限和二衬厚度的直观展示。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供一种基于三维激光扫描的隧道监控方法，包括以下步骤：

a、采用三维激光扫描仪对隧道初支监控区段进行扫描，得到隧道初支监控区段的三维点云数据；

b、将步骤a得到的三维点云数据进行去噪处理后，对去噪后的点云数据进行拼接处理，得到隧道初支监控区段的整体点云数据；

c、根据隧道围岩等级和现场施工方案设置多个里程不同的监控测量断面，并在各监控测量断面上设置多个监测点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各监控测量断面在步骤b得到的整体点云数据中的对应位置，即得到各监测点在整体点云数据中所在的位置，进而从整体点云数据中以监测点为中心，提取一定范围的点云数据，对提取的点云数据进行正态分布拟合，计算得到各断面的拱顶沉降值和周边收敛值；

d、根据隧道监控规范确定隧道拱顶沉降和周边收敛预警阈值，当步骤c得到的拱顶沉降值或周边收敛值超过拱顶沉降或周边收敛预警阈值时进行自动报警；

e、每间隔一段时间重复步骤a到步骤d，即实现对隧道的拱顶沉降和周边收敛的监控。

优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，步骤c中的监测点包括：至少一个拱顶沉降监测点和至少一对周边收敛监测点，其中同一对周边收敛监测点对称分布。

优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，所述报警信息包括报警时间、报警点所在位置和超过预警阈值的报警值。

优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，所述步骤c之后还包括以下步骤：

f、统计每一次得到的拱顶沉降值和周边收敛值，生成各监测点的拱顶沉降值-时间曲线或周边收敛值-时间曲线，用于了解拱顶和周边的变形趋势。

优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，还包括：

g、对隧道二衬区段重复步骤a到步骤b，得到隧道二衬扫描区段的整体点云数据；

h、根据现场需求设置多个里程不同的初支侵限分析断面，并在各初支侵限分析断面上设置多个初支侵限分析点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各初支侵限分析断面在步骤b得到的整体点云数据中的对应位置，从该整体点云数据中提取各初支侵限分析断面位置的点云切片，将该点云切片与与其对应的初支侵限分析断面在同一坐标系中进行套接比较，计算初支侵限分析断面上的初支侵限分析点到对应的点云切片的距离，得到的最近距离即为该初支侵限分析点的初支侵限值；

i、在各初支侵限分析断面的位置处对应设置一个二衬侵限分析断面，且一一对应，并在各二衬侵限分析断面上设置多个二衬侵限分析点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各二衬侵限分析断面在步骤g得到的整体点云数据中的对应位置，从该整体点云数据中提取各二衬侵限分析断面位置的点云切片，将该点云切片与与其对应的二衬侵限分析断面在同一坐标系中进行套接比较，计算二衬侵限分析断面上的二衬侵限分析点到对应的点云切片的距离，得到的最近距离即为该二衬侵限分析点的二衬侵限值；

j、根据步骤h得到的各初支侵限分析点的初支侵限值和步骤i得到的各二衬侵限分析点的二衬侵限值，绘制各侵限分析断面的二维侵限断面图。

优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，还包括：

k、根据现场需求设置多个里程不同的二衬厚度分析断面，在各二衬厚度分析断面的二衬位置上设置多个二衬厚度分析点，并从步骤b得到的整体点云数据中提取与二衬厚度分析断面对应的初支位置的点云切片，从步骤g得到的整体点云数据中提取与二衬厚度分析断面对应的二衬位置的点云切片,并将提取的初支位置的点云切片和二衬位置的点云切片在在同一坐标系中进行套接比较，得到各二衬厚度分析点在初支位置的点云切片中对应的点和在二衬位置的点云切片中对应的点，并计算两点之间的距离，得到的两点之间的距离即为该二衬厚度分析点的二衬厚度，然后绘制各二衬厚度分析断面的二维二衬厚度断面图。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明通过将前后期三维扫描数据进行对比，分析拱顶沉降情况，得到拱顶沉降值和周边收敛值，并根据经验数据设置隧道拱顶沉降和周边收敛预警阈值，即实现了拱顶沉降值和周边收敛的报警，也直观的展示了隧道的拱顶沉降和周边收敛情况。

本发明通过将扫描数据与设计断面进行对比，分析断面侵限情况，得到侵限值，同时对初支扫描数据与二衬扫描数据进行对比，评估二衬厚度是否达标，并绘制各侵限分析断面的二维侵限断面图和各二衬厚度分析断面的二维二衬厚度断面图，实现了隧道侵限和二衬厚度的直观展示。

本发明采用以往隧道监测数据的累计变形的理论极限值作为样本数据预测拟建隧道拱顶沉降和周边收敛预警阈值，在后续隧道建设中，采用该阈值作为确定累计变形预警标准的参考值。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法的流程图；

图2为本发明所述的使用基于三维激光扫描的隧道监控方法的隧道监控平台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

<实施例1>

如图1所示，本发明提供一种基于三维激光扫描的隧道监控方法，包括以下步骤：

a、采用三维激光扫描仪对隧道初支监控区段进行扫描，得到隧道初支监控区段的三维点云数据；

b、将步骤a得到的三维点云数据进行去噪处理后，对去噪后的点云数据进行拼接处理，得到隧道初支监控区段的整体点云数据；

c、根据隧道围岩等级和现场施工方案设置多个里程不同的监控测量断面，并在各监控测量断面上设置多个监测点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各监控测量断面在步骤b得到的整体点云数据中的对应位置，即得到各监测点在整体点云数据中所在的位置，进而从整体点云数据中以监测点为中心，提取一定范围的点云数据，对提取的点云数据进行正态分布拟合，计算得到各断面的拱顶沉降值和周边收敛值；

d、根据隧道监控规范确定隧道拱顶沉降和周边收敛预警阈值，当步骤c得到的拱顶沉降值或周边收敛值超过拱顶沉降或周边收敛预警阈值时进行自动报警；

e、每间隔一段时间重复步骤a到步骤d，即实现对隧道的拱顶沉降和周边收敛的监控。

在上述技术方案中，通过拼接点及控制点坐标对三维扫描仪得到的数据进行自动拼接，并对重合部分进行裁剪，通过设置设计断面阈值以及设置风管、水管等的位置和直径，使用K邻域查找法、点云切片图像处理等方法进行自动去噪，得到隧道扫描区段的整体点云数据；选用指数型、双线型、S型、对数型、幂函数型回归函数对各监测点的累计变形进行回归分析，得到回归极限值，即各监测点累计变形的理论极限值；统计以往隧道监控数据的累计变形的理论极限值，建立数据库，并采用人工智能预测的手段，得到拟建隧道不同区段的拱顶沉降和周边收敛预警阈值，该阈值作为确定累计变形预警标准的参考值；将监测点单日与累计变形值与隧道拱顶沉降或周边收敛预警阈值进行比较，若变形值大于预警阈值，则生成报警信息，并自动推送相关处理人员。

在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，步骤c中的监测点包括：多个拱顶沉降监测点和多对周边收敛监测点，其中一对周边收敛监测点对称分布。

在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，所述报警信息包括报警时间、报警点所在位置和超过预警阈值的报警值。

在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，所述步骤c之后还包括以下步骤：

f、统计每一次得到的拱顶沉降值和周边收敛值，生成各监测点的拱顶沉降值-时间曲线或周边收敛值-时间曲线，用于了解拱顶和周边的变形趋势。

所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，还包括：

g、对隧道二衬区段重复步骤a到步骤b，得到隧道二衬扫描区段的整体点云数据；

h、根据现场需求设置多个里程不同的初支侵限分析断面，并在各初支侵限分析断面上设置多个初支侵限分析点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各初支侵限分析断面在步骤b得到的整体点云数据中的对应位置，从该整体点云数据中提取各初支侵限分析断面位置的点云切片，将该点云切片与与其对应的初支侵限分析断面在同一坐标系中进行套接比较，计算初支侵限分析断面上的初支侵限分析点到对应的点云切片的距离，得到的最近距离即为该初支侵限分析点的初支侵限值；

i、在各初支侵限分析断面的位置处对应设置一个二衬侵限分析断面，且一一对应，并在各二衬侵限分析断面上设置多个二衬侵限分析点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各二衬侵限分析断面在步骤g得到的整体点云数据中的对应位置，从该整体点云数据中提取各二衬侵限分析断面位置的点云切片，将该点云切片与与其对应的二衬侵限分析断面在同一坐标系中进行套接比较，计算二衬侵限分析断面上的二衬侵限分析点到对应的点云切片的距离，得到的最近距离即为该二衬侵限分析点的二衬侵限值；

j、根据步骤h得到的各初支侵限分析点的初支侵限值和步骤i得到的各二衬侵限分析点的二衬侵限值，绘制各侵限分析断面的二维侵限断面图。

在上述技术方案中，依据隧道设计轴线以及现场需求设置侵限分析断面，从隧道整体点云数据中提取所设置断面位置处的点云切片，通过设计轴线将点云切片和设计断面在同一坐标下套接比较，计算设计断面上测点到点云切片上的最近点的距离，即可得到断面上各个侵限分析点的侵限值，根据各侵限分析点的侵限值，使用列表和饼状图的形式统计绘制各侵限分析断面的侵限值。

在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法中，还包括：

k、根据现场需求设置多个里程不同的二衬厚度分析断面，在各二衬厚度分析断面的二衬位置上设置多个二衬厚度分析点，并从步骤b得到的整体点云数据中提取与二衬厚度分析断面对应的初支位置的点云切片，从步骤g得到的整体点云数据中提取与二衬厚度分析断面对应的二衬位置的点云切片,并将提取的初支位置的点云切片和二衬位置的点云切片在在同一坐标系中进行套接比较，得到各二衬厚度分析点在初支位置的点云切片中对应的点和在二衬位置的点云切片中对应的点，并计算两点之间的距离，得到的两点之间的距离即为该二衬厚度分析点的二衬厚度，然后绘制各二衬厚度分析断面的二维二衬厚度断面图。

在上述技术方案中，依据隧道设计轴线以及现场需求设置不同里程的二衬厚度分析断面，并在各二衬厚度分析断面的二衬位置上设置多个二衬厚度分析点，通过二衬厚度分析点及设计轴线将初支点云切片和二衬点云切片在同一坐标套接比较，计算断面设置的测点对应的初支和二衬点云切片上的点间距，即可得到断面上各个二衬厚度分析点的二衬厚度，使用列表和饼状图的形式统计绘制各二衬厚度分析断面的二衬厚度值。

<实施例2>

如图2所示，本发明提供一种使用基于三维激光扫描的隧道监控方法的隧道监控平台，包括数据处理平台和隧道安全监控平台，其中数据处理平台包括工程管理模块、监控测量模块和侵限分析模块，隧道安全监控平台模块包括隧道变形智能预测模块、隧道监测结果统计模块和侵限统计模块。所述的工程管理模块具体包括：(1)设置管理整个工程中文件名、隧道属性所用的代码；管理添加隧道工程信息，隧道平曲线、竖曲线、初支设计断面、二衬设计断面信息。(2)隧道扫描数据依据(1)中设置的代码自动进入对应的工程管理目录下，通过拼接点及控制点坐标对扫描仪数据进行自动拼接，并对重合部分进行裁剪，通过设置设计断面阈值、设置风管、水管等位置和直径、K邻域查找法、点云切片图像处理等方法进行自动去噪，避免了人工修改数据的可能。(3)根据监控测量模块和侵限分析模块中设置的断面位置以及测点位置提取监控数据、侵限及二衬厚度分析数据，其中监控数据提取以测点为中心的面域的点云，通过正态分布的方法对该点云进行处理，得到测点数据值。

所述的监控测量模块具体包括：(1)根据工程管理模块中平曲线、竖曲线信息及隧道测量规范、现场实际需求生成断面以及测点位置。(2)对工程管理模块中提取的拱顶沉降、周边收敛数据进行分析统计，获得每个设置断面的单日变形和累计变形，并将其上传至安全监控平台。(3)选用指数型、双线型、S型、对数型、幂函数型回归函数对拱顶沉降和周边收敛测点进行回归分析，生成时间-变形回归曲线，得到回归极限值，并将该值赋予工程管理模块中隧道工程信息，上传至隧道安全监控平台。

所述的侵限模块具体包括：(1)根据工程管理模块中平曲线、竖曲线信息及围岩级别设置侵限分析断面以及断面上侵限分析点的个数。(2)对工程管理模块中提取的点云与设计断面套接，以设计断面上设置的侵限分析点与断面点云切片上最近点的距离作为该侵限分析点侵限值，获得二维侵限断面图，并将结果上传至隧道安全监控平台。(3)同理，将初支断面点云切片和二衬断面点云切片套接，得到分析点的二衬厚度值，获得二衬厚度二维断面图，并将结果上传至隧道安全监控平台。

所述的隧道变形智能预测模块具体包括：(1)保存监控测量模块中回归分析得到变形极限值，形成带有隧道信息(如：围岩级别、跨度、埋深等)的隧道变形数据库。(2)根据(1)中形成的数据以及拟建隧道的信息，采用人工智能预测的手段，得到拟建隧道不同区段的拱顶沉降、周边收敛的预警阈值，在后续隧道建造监测过程中，采用该阈值作为确定累计变形预警标准的参考值。

所述的隧道监测结果统计模块具体包括：(1)对监控测量模块中上传的拱顶沉降和周边收敛数据进行统计，得到测点的单日和累计的变形-时间曲线。(2)将测点单日与累计变形值与预警阈值比较，若变形值大于预警阈值，则生成报警信息(包括：报警位置、报警时间、报警值、报警类型)，并自动推送相关处理人员。

所述的侵限统计模块具体包括：(1)采用列表和饼状图的形式统计侵限分析模块上传的侵限分析和二衬厚度评估结果，直观的了解断面的侵限以及二衬厚度值。(2)将隧道三维模型与隧道扫描数据套接，通过点的颜色区分某点是否侵限，红色表示侵限，绿色表示未侵限；同理，将隧道的初支扫描点云和二衬扫描点云套接，通过点的颜色区分某点二衬厚度是否达标，红色表示不合格，绿色表示合格。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种基于三维激光扫描的隧道监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、采用三维激光扫描仪对隧道初支监控区段进行扫描，得到隧道初支监控区段的三维点云数据；

b、将步骤a得到的三维点云数据进行去噪处理后，对去噪后的点云数据进行拼接处理，得到隧道初支监控区段的整体点云数据；

c、根据隧道围岩等级和现场施工方案设置多个里程不同的监控测量断面，并在各监控测量断面上设置多个监测点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各监控测量断面在步骤b得到的整体点云数据中的对应位置，即得到各监测点在整体点云数据中所在的位置，进而从整体点云数据中以监测点为中心，提取一定范围的点云数据，对提取的点云数据进行正态分布拟合，计算得到各断面的拱顶沉降值和周边收敛值；

d、根据隧道监控规范确定隧道拱顶沉降和周边收敛预警阈值，当步骤c得到的拱顶沉降值或周边收敛值超过拱顶沉降或周边收敛预警阈值时进行自动报警；

e、每间隔一段时间重复步骤a到步骤d，即实现对隧道的拱顶沉降和周边收敛的监控。

2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法，其特征在于，步骤c中的监测点包括：至少一个拱顶沉降监测点和至少一对周边收敛监测点，其中同一对周边收敛监测点对称分布。

3.如权利要求2所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法，其特征在于，所述报警信息包括报警时间、报警点所在位置和超过预警阈值的报警值。

4.如权利要求3所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法，其特征在于，所述步骤c之后还包括以下步骤：

f、统计每一次得到的拱顶沉降值和周边收敛值，生成各监测点的拱顶沉降值-时间曲线或周边收敛值-时间曲线，用于了解拱顶和周边的变形趋势。

5.如权利要求4所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法，其特征在于，还包括：

g、对隧道二衬区段重复步骤a到步骤b，得到隧道二衬扫描区段的整体点云数据；

h、根据现场需求设置多个里程不同的初支侵限分析断面，并在各初支侵限分析断面上设置多个初支侵限分析点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各初支侵限分析断面在步骤b得到的整体点云数据中的对应位置，从该整体点云数据中提取各初支侵限分析断面位置的点云切片，将该点云切片与与其对应的初支侵限分析断面在同一坐标系中进行套接比较，计算初支侵限分析断面上的初支侵限分析点到对应的点云切片的距离，得到的最近距离即为该初支侵限分析点的初支侵限值；

i、在各初支侵限分析断面的位置处对应设置一个二衬侵限分析断面，且一一对应，并在各二衬侵限分析断面上设置多个二衬侵限分析点，然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各二衬侵限分析断面在步骤g得到的整体点云数据中的对应位置，从该整体点云数据中提取各二衬侵限分析断面位置的点云切片，将该点云切片与与其对应的二衬侵限分析断面在同一坐标系中进行套接比较，计算二衬侵限分析断面上的二衬侵限分析点到对应的点云切片的距离，得到的最近距离即为该二衬侵限分析点的二衬侵限值；

j、根据步骤h得到的各初支侵限分析点的初支侵限值和步骤i得到的各二衬侵限分析点的二衬侵限值，绘制各侵限分析断面的二维侵限断面图。

6.如权利要求5所述的基于三维激光扫描的隧道监控方法，其特征在于，还包括：

k、根据现场需求设置多个里程不同的二衬厚度分析断面，在各二衬厚度分析断面的二衬位置上设置多个二衬厚度分析点，并从步骤b得到的整体点云数据中提取与二衬厚度分析断面对应的初支位置的点云切片，从步骤g得到的整体点云数据中提取与二衬厚度分析断面对应的二衬位置的点云切片,并将提取的初支位置的点云切片和二衬位置的点云切片在在同一坐标系中进行套接比较，得到各二衬厚度分析点在初支位置的点云切片中对应的点和在二衬位置的点云切片中对应的点，并计算两点之间的距离，得到的两点之间的距离即为该二衬厚度分析点的二衬厚度，然后绘制各二衬厚度分析断面的二维二衬厚度断面图。