CN109459439A - 一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，包括：确定测量路线的长度及路线变化趋势，在测量路线的隧道墙面上布置若干个控制点位；及在扫描车移动时，通过三维激光扫描仪对隧道断面进行静态自检校采集，得到隧道断面点云数据；对隧道断面点云数据预处理；在扫描车移动时通过全站仪测量获取各控制点位坐标，及控制在同一坐标系下；将预处理后的隧道断面点云数据投影到一个隧道标准断面上形成正射灰度平面图；根据正射灰度平面图及各控制点位坐标，量测隧道衬砌表面裂缝数据，并进行标注和统计后输出。本发明可大量获取隧道衬砌表面点云，并以此处理分析获取隧道衬砌表面裂缝信息，使得隧道衬砌裂缝检测更加快速、准确。

Description

一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，属于隧道测绘技术领域。

背景技术

随着国家经济快速发展和城市化进程的不断推进，铁路隧道数量不断增加，大大提高了人们出行的便捷性，但是，由于外部环境和地质条件的不断变化，以及设计、施工、管理和周边建筑施工等其他方面的影响，隧道在使用过程中，常常会出现裂缝、渗漏、掉块等病害现象，严重威胁到隧道的正常、安全使用，急需一种高效、准确的检测技术检测隧道衬砌状态。而在裂缝、渗漏、掉块等病害现象中，裂缝更是其他病害的源头，裂缝发育、扩大是出现渗漏和掉块的必然因素，因此高效精确地检测隧道衬砌裂缝尤为重要。

现阶段国内隧道衬砌裂缝检测办法仍然以传统方法为主，主要包括人工探查、裂缝仪测量、摄影测量、地震地质勘探等方法。这些传统检测方法中，人工探查方法是目前实际项目实施中应用最广泛，但也是准确度最低的办法，很多隧道衬砌裂缝是隧道暗环境下无法肉眼识别出来的，因此，会出现大量的漏检裂缝；裂缝仪测量手段是利用特定的裂缝检测仪器，将裂缝进行放大成像进而检测识别裂缝信息，但这种方法不仅效率低，而且只能检测隧道道床两侧的裂缝，隧道顶部及两侧翼较高处的裂缝无法检测到；摄影测量方法是诸多传统测量方法中效率较高的手段，但受到该方法自身对光源环境的苛求，很大程度上限制了该方法在隧道衬砌裂缝检测中的应用；地震地质勘探法实则是一种物探方法，该方法虽然效率尚可，检测的准确性亦佳，但是该方法无法直接获取裂缝的详细信息，需要人为二次普查，这样便降低了作业效率。

三维激光扫描技术是近年来发展的新兴测绘技术，其工作方式是通过仪器发射出的激光对空间内具有一定分辨率的点云进行连续不间断扫描，并以扫描得到的密集点云来表示目标物表面状态。该技术突破了人工探查、裂缝仪测量、摄影测量、地震勘探等传统测量手段低效、缓慢、苛求作业环境的弊端，可以快速、精确获取隧道衬砌表面点云，目前最先进的Leica三维激光扫描仪器已经可以达到100万点云每秒的速度，其快速高效获取点云的特征也契合了隧道衬砌裂缝检测高效精准的要求。不足之处在于，目前相对成熟的地面静站式三维激光扫描技术在隧道裂缝检测应用中，相邻两测站之间存在扫描点云较为稀疏的区域，会对隧道裂缝检测产生影响，甚至检测不出该区段裂缝信息；缩短相邻测站间距可以适当解决这种问题，但相应地会增加扫描设站，增加外业和内业的工作量，降低工作效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对国内现有隧道衬砌裂缝检测技术操作复杂、效率低下、环境要求苛刻、成本高等问题，提供一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，能够在移动过程中不间断、快速、精准获取目标点云，并能以此为媒介检测隧道衬砌裂缝信息。一方面解决了静站式三维激光扫描技术需要不断搬站的复杂、低效问题和相邻两站之间点云稀疏的问题，另一方面解决了摄影测量等技术手段对光源的苛刻要求。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，包括以下步骤：

步骤1、确定测量路线的长度及路线变化趋势，在测量路线的隧道内布置若干个控制点位；及在扫描车移动时通过三维激光扫描仪对隧道断面进行静态自检校采集，得到隧道断面点云数据；

步骤2、对采集所得隧道断面点云数据预处理；在扫描车移动时通过全站仪测量获取各控制点位坐标，及将预处理后的隧道断面点云数据控制在同一坐标系下；

步骤3、将预处理后的隧道断面点云数据投影到一个隧道标准断面上，沿隧道断面展开且经几何校正形成正射灰度平面图；

步骤4、根据正射灰度平面图及各控制点位坐标，量测得到隧道衬砌表面裂缝数据，并对隧道衬砌表面裂缝进行标注和统计裂缝数据后输出。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中对隧道断面点云数据预处理包括去噪处理，及根据分辨率通过行提取参数和像素提取参数进行稀释。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2还包括全站仪测量根据获取的控制点位坐标进行误差校准。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤4中得到的隧道衬砌表面裂缝数据包括裂缝的三维数字信息。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤4中将隧道衬砌表面裂缝数据通过表格和或图形的形式输出。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提出的一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，是在常规三维激光扫描技术的基础上，结合移动式的轨道小车和IMU技术，并结合点云处理和建模技术获取隧道衬砌表面裂缝信息的技术手段，主要包括外业数据采集方法和点云数据处理方法；外业数据采集方法主要指采集前准备工作、数据采集、采集结束工作；点云数据处理方法主要指点云数据去噪、点云数据拼接与控制、隧道扫描点云投影处理、分析获取衬砌裂缝。本发明在地面静站式三维激光扫描技术的基础上，借助推行轨道扫描小车在铁轨上移动，通过三维激光扫描仪不间断、快速、精准获取目标点云，并能以此为媒介检测隧道衬砌裂缝信息，使得隧道衬砌裂缝检测更加便捷、快速、准确，为隧道安全使用的定期检测和突发性状况检测提供了高效、准确的技术手段，克服了传统方法效率低的缺陷，以及摄影测量方法对光源的依赖性，对隧道衬砌裂缝检测技术的发展具有重要意义。

因此，本发明方法相对于传统方法，使得隧道衬砌裂缝检测更加便捷、快速、准确，有益效果如下：

（1）利用移动式三维激光扫描技术，消除了静站式三维激光扫描技术需要不断搬站的复杂、低效问题，大大提高了裂缝检测的效率；

（2）采用固定扫描仪的方法，使得点云密度可控，避免出现点云密度过度稀少的区域，从而有效避免了衬砌裂缝的漏检；

（3）利用激光作为传递信息工具，解决了摄影测量等技术手段对光源的过分依赖，一定程度上节省物力成本。

附图说明

图1为本发明基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法的流程示意图。

图2为本发明实施例采用的采集路线及靶球布设示意图。

图3为本发明实施例生成的隧道扫描投影图部分截图。

图4为本发明实施例检测的隧道衬砌裂缝高清扫描图截选。

图5为本发明实施例检测的隧道衬砌裂缝高清扫描图截选。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，该方法在常规三维激光扫描技术的基础上，结合移动式的轨道小车和IMU技术，并结合点云处理和建模技术获取隧道衬砌表面裂缝信息的技术手段，主要包括外业数据采集方法和点云数据处理方法。外业数据采集方法主要指采集前准备工作、数据采集、采集结束工作；点云数据处理方法主要指点云数据去噪、点云数据拼接与控制、隧道扫描点云全景图处理、分析获取衬砌裂缝。所述采集前准备工作包括仪器设备准备、测量路线确定、采集起点终点确定、靶球控制点选择等；所述数据采集包括仪器设备安装、线缆连接、数据采集初始化、数据采集、采集结束；所述采集结束工作包括采集数据完整性检查、设备拆卸装箱、检查配件等仪器设备是否齐全；所述点云数据处理是指在SiSynchro、Cyclone、LSTunnel、Tunnel map等软件下对采集数据进行去噪处理，剔除错误或异常的扫描数据；拼接与控制处理，提供全站仪测得靶球控制点坐标；投影处理，将隧道扫描的点云数据展开为正射高清影像灰度平面图；隧道衬砌裂缝检测，对裂缝进行标注和统计。具体地，本方法包括以下步骤：

步骤1、数据采集步骤：确定测量路线的长度及路线变化趋势，在测量路线的隧道内墙面或地面上布置若干个控制点位；及在扫描车移动时通过三维激光扫描仪对隧道断面进行静态自检校采集，得到隧道断面点云数据。其过程如下：

1）准备仪器设备。设备包括含IMU、里程计轨道的扫描车、Leica、Faro、Reigl等品牌的扫描仪、平板电脑、全站仪、棱镜、标靶等；首先，确定测量路线的长度及路线变化趋势，确定采集的起点终点，检查测量路线上是否有变轨位置或交叉轨道等；将测量路线起点前大于20米作为采集起点，将终点后大于20米作为采集终点，确保采集起点、终点完全覆盖测量路线，在真正测量路线起、止点各设一个控制点，作为真实测量路线起止点的准确位置；如图2所示，在采集路线上，每隔50-60米布设1个控制点位，可以左右交叉分布；曲线部分可以加密至30米一个，根据具体情况可适当调整；控制点位即放置标靶的点位，通过一带有吸铁装置的基座固定在隧道两侧铁质物上，通过连接杆放置棱镜和标靶，棱镜和标靶放置的先后次序根据全站仪和三维激光扫描仪工作的先后次序而定，同时棱镜和标靶的几何中心重合，控制点位选在隧道墙面或地面上，不能阻碍仪器前进。

2）点云数据采集。首先对设三维激光扫描仪和惯导系统行初始化，初始化过程中确保设备绝对静止；然后P40的三维激光扫描仪起点处进行360°静态自检校扫描，扫描完后，根据检测裂缝宽度的需求，设置扫描仪扫描档位如扫描分辨率5*5mm，拧紧角度锁定螺栓角度45°，使水准气泡和显示屏朝向自己一侧，连接扫描车与三维激光扫描仪数据线，点击开始按钮start sensors，等待3分钟；然后点击start scan按钮，当三维激光扫描仪转速达到50Hz时，开始推行扫描车，即等待扫描仪转速稳定后开始推行扫描车使其移动，与此同时三维激光扫描仪的扫描头做360°高速旋转采集隧道断面点云数据，推行速度控制在0.8-1.3 m/s；抵达结束点，完全停稳后，点击停止按钮stop scan，完全停稳后结束扫描。

3）采集工作结束。确保结束过程中设备绝对静止，关闭采集按钮，点击按钮stopsensors，等待120秒，断开P40的三维激光扫描仪与扫描车连接线，松开角度锁定螺栓，P40的三维激光扫描仪结束点360°静态扫描再次进行检校。

步骤2、对采集所得隧道断面点云数据预处理；在扫描车移动时通过全站仪测量获取各控制点位坐标，及将预处理后的隧道断面点云数据控制在同一坐标系下。具体如下：

1）数据预处理，包括去噪处理，及根据分辨率通过行提取参数和像素提取参数进行稀释等。设置最小距离、最大距离、最小反射率、最大反射率、最小竖直角和最大竖直角等参数，剔除掉异常或错误的扫描的点云数据中噪点；根据分辨率的需要通过行提取和像素提取参数对点云数据等进行稀释。

2）靶球拟合与控制处理。由于棱镜与标靶几何中心重合，通过提供全站仪观测棱镜得到的棱镜中心坐标，为靶球中心提供控制点位坐标，然后在Cyclone软件中通过点选靶球，软件能够自动识别、拟合靶球中心，然后赋予靶球绝对坐标，这样就将所有点云控制在同一坐标系下，并提供绝对坐标，同时控制轨道车在推动过程中产生的角度偏差，防止误差累积；全站仪测量根据获取的控制点位坐标进行误差校准，将系统自动拟合靶球中心和全站仪提供的靶球中心坐标对比做中误差分析可作为精度评定的依据。

步骤3、将预处理后的隧道断面点云数据投影到一个隧道标准断面上，沿隧道断面展开且经几何校正形成正射灰度平面图，所述隧道标准断面可以为垂直于隧道轴线的断面。

具体地，通过LSTunnel数据处理软件，将预处理后的扫描点云数据投影到一个隧道标准断面上，如图3所示，然后将点云数据初始形成的图像沿隧道拱顶展开成高清影像的正射灰度平面图，投影之后的灰度图像是经过几何校正的真实的图像。

步骤4、根据正射灰度平面图及各控制点位坐标，量测得到隧道衬砌表面裂缝数据，并对隧道衬砌表面裂缝进行标注，并统计裂缝数据后输出。具体如下：

经过上述数据处理，形成隧道衬砌表面正射高清影像灰度平面图，再将此正射灰度平面图导入Tunnel map数据处理软件，根据先前数据采集时设置的扫描档位，裂缝检测一般选择扫描分辨率为5*5mm，以及控制点位提供的绝对坐标，在同一坐标系内的坐标网格下采用人工标注的方法，可直接在高清影像灰度图上量测隧道衬砌表面裂缝等病害的三维数字信息，具体包括位置信息、宽度信息和长度信息等，并对隧道衬砌表面裂缝进行标注和统计，统计出裂缝数据包括位置、长度、宽度等信息，最后以表格和或图形的形式输出。

本发明通过上述具体实施步骤，最终获取隧道衬砌裂缝信息，如图4、图5为其中获取的2处隧道衬砌裂缝。所述图4的裂缝位于K13+986.248里程，右侧，距拱顶中心线弧长1.75m，裂缝宽度约0.5mm，左侧裂缝长0.554m，右侧裂缝长0.679m；所述图5的裂缝位于K13+985.298里程，左侧，距拱顶中心线弧长2.22m，裂缝宽度约1mm，长度约0.953m。

综上，本发明是在地面静站式三维激光扫描技术的基础上，结合移动式的轨道小车和IMU技术，提出了一种能够在不断移动过程中，快速、准确、大量获取隧道衬砌表面点云，并以此为媒介处理分析获取隧道衬砌表面裂缝信息的方法，使得隧道衬砌裂缝检测更加便捷、快速、准确，为隧道安全使用的定期检测和突发性状况检测提供了高效、准确的技术手段。克服了传统方法效率低的缺陷，以及摄影测量方法对光源的依赖性，对隧道衬砌裂缝检测技术的发展具有重要意义。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定测量路线的长度及路线变化趋势，在测量路线的隧道内布置若干个控制点位；及在扫描车移动时，通过三维激光扫描仪对隧道断面进行静态自检校采集，得到隧道断面点云数据；

步骤2、对采集所得隧道断面点云数据预处理；在扫描车移动时通过全站仪测量获取各控制点位坐标，及将预处理后的隧道断面点云数据控制在同一坐标系下；

步骤3、将预处理后的隧道断面点云数据投影到一个隧道标准断面上，沿隧道标准断面展开且经几何校正形成正射灰度平面图；

步骤4、根据正射灰度平面图及各控制点位坐标，量测得到隧道衬砌表面裂缝数据，并对隧道衬砌表面裂缝进行标注，并统计裂缝数据后输出。

2.根据权利要求1所述基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，其特征在于：所述步骤2中对隧道断面点云数据预处理包括去噪处理，及根据分辨率通过行提取参数和像素提取参数进行稀释。

3.根据权利要求1所述基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，其特征在于：所述步骤2还包括全站仪测量根据获取的控制点位坐标进行误差校准。

4.根据权利要求1所述基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，其特征在于：所述步骤4中得到的隧道衬砌表面裂缝数据包括裂缝的三维数字信息。

5.根据权利要求1所述基于移动式三维激光扫描技术的隧道衬砌裂缝检测方法，其特征在于：所述步骤4中将隧道衬砌表面裂缝数据通过表格和或图形的形式输出。