CN109470207A - 一种用于隧道的全面检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于隧道的全面检测方法，包括以下步骤：通过数据采集系统对隧道进行扫描，获取隧道的点云数据；然后对点云数据进行预处理，以得到预处理数据，其中包括利用全站仪配合三维激光扫描仪使用定位标靶球的方式对所述隧道进行连续扫描；对点云数据进行配准、去噪、坐标系归化、压缩以及三维重构处理；以及将采集的数据导入到软件中，后视定向完成点云定位定向，并清洗无效数据；通过隧道设计断面,计算其特征点至实测断面线的距离及方位，进行超欠挖的自动检测；对数据预处理完成后，进行点云分析，并实时显示当前里程的超欠挖数据，本发明可以实现三维激光扫描仪最大偏差在毫米级别，完全满足超欠挖检测的精度要求。

Description

一种用于隧道的全面检测方法

技术领域

本发明涉及隧道测量领域，具体涉及到一种用于隧道的全面检测方法。

背景技术

在隧道施工和运营阶段，隧道变形监测都发挥重要作用。一方面，隧道变形监测是隧道信息化施工的重要组成部分，是反馈围岩和结构动态变化趋势、优化支护参数、保证施工安全的重要手段。另一方面，隧道变形监测也是隧道健康监测的重要组成部分，对于实时评估隧道结构的安全状况，及时实施安全预警，最大限度延长隧道的使用年限具有重要作用。隧道超欠挖控制是隧道施工监控量测的重要内容，如果超挖严重增大了开挖面积会使隧道掌子面稳定性下降，容易导致隧道失稳，而出现欠挖会使隧道衬砌厚度达不到设计要求，留下质量安全隐患。因此，隧道开挖情况控制也是保障隧道施工安全，确保隧道施工质量的重要举措；传统的隧道断面超欠挖测量，主要使用全站仪、断面仪等测量仪器进行逐点、逐断面的测量。这种测量方法存在以下缺点：1)操作繁复、耗时费力，人为因素对量测精度的影响较大；2)环境复杂，不良因素众多，测量的可靠度和灵敏度不高；3)测量点位有限，很难准确反映整个断面的变形状态；2018年7月1日，我国自主研发的全球最长高铁列车“复兴号”正式投入运营，最高时速可达400公里；2017年底，高铁总里程已达到2.5万公里，占世界总量的66.3％。

高铁的快速发展，对建设施工行业提出了更高的要求。众所周知，高铁的建设标准和施工难度要远远大于普通铁路，尤其是需要开挖隧道的路段，难度系数更是成倍增长。因为在隧道开挖过程中，常常会出现由于人为因素导致的超欠挖情况。

发明内容

为了解决上述不足的缺陷，本发明提供了一种用于隧道的全面检测方法，本发明可以实现三维激光扫描仪最大偏差在毫米级别，完全满足超欠挖检测的精度要求，以Z+F三维激光扫描仪为核心的隧道超欠挖检测方案，不仅精度满足隧道超欠挖检测的要求，而且比传统检测方式的效率更高；不仅可以应用于高铁隧道的安全监测，还可应用于包括地铁隧道、水利隧道、公路隧道等其他地下空间施工阶段的安全监测领域。

本发明提供了一种用于隧道的全面检测方法，包括以下步骤：

步骤(1)：通过数据采集系统对隧道进行扫描，获取所述隧道的点云数据；然后对所述点云数据进行预处理，以得到预处理数据，其中包括利用全站仪配合三维激光扫描仪使用定位标靶球的方式对所述隧道进行连续扫描；

步骤(2)：对所述点云数据进行配准、去噪、坐标系归化、压缩以及三维重构处理；以及将采集的数据导入到软件中，可寻找球棱镜位置，后视定向完成点云定位定向，并清洗无效数据；

步骤(3)：通过隧道设计断面,计算其特征点至实测断面线的距离及方位，进行超欠挖的自动检测；对数据预处理完成后，进行点云分析，并实时显示当前里程的超欠挖数据。

上述的测量方法，其中，获取隧道断面轮廓的激光点云数据，并将激光点云数据转换至平面坐标系中；计算出每个激光点云数据的坐标方位角。

上述的测量方法，其中，通过数据采集系统进行数据采集，所述数据采集系统包括三维激光扫描仪、棱镜、全站仪；通过数据预处理系统进行数据的预处理；通过数据检查复查系统进行点云分析，并实时显示当前里程的超欠挖数据，所述全站仪用于对工程坐标的控制，所述三维激光扫描仪用于外业数据的采集和内业数据的处理。

上述的测量方法，其中，还包括数据导出系统，所述数据导出系统将断面里程、实测和参考断面面积、超欠挖面积导出成表格的形式。

上述的测量方法，其中，所述全站仪直观放样出隧道超欠挖的位置和数值。

上述的测量方法，其中，还包括数据过滤模块，用滤波器过滤噪声点和孤立点；数据配准模块采用图像配准方法对局部点云数据进行配准，组成完成的三维点云地图；数据分割模块，采用数据分割方法对三维点云地图进行分割，得到不同平面和不同物体的点云集合数据。

上述的测量方法，其中，通过在沿隧道长度方向布设多个激光扫描测站，建立由三维激光扫描仪确定的参考坐标系，每一激光扫描测站之间设立至少3个公共的工作基点，三维激光扫描仪获取每一激光扫描测站的工作基点坐标以及隧道点云。

本发明提供了一种用于隧道的全面检测方法具有以下有益效果：本发明可以实现三维激光扫描仪最大偏差在毫米级别，完全满足超欠挖检测的精度要求，以Z+F三维激光扫描仪为核心的隧道超欠挖检测方案，不仅精度满足隧道超欠挖检测的要求，而且比传统检测方式的效率更高；不仅可以应用于高铁隧道的安全监测，还可应用于包括地铁隧道、水利隧道、公路隧道等其他地下空间施工阶段的安全监测领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1、图2为现有超欠挖的隧道截面示意图。

图3、图4为本发明一种用于隧道的全面检测方法的流程示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供的一种用于隧道的全面检测方法，包括以下步骤：

步骤(1)：通过数据采集系统对隧道进行扫描，获取所述隧道的点云数据；然后对所述点云数据进行预处理，以得到预处理数据，其中包括利用全站仪配合三维激光扫描仪使用定位标靶球的方式对所述隧道进行连续扫描；

步骤(2)：对所述点云数据进行配准、去噪、坐标系归化、压缩以及三维重构处理；以及将采集的数据导入到软件中，可寻找球棱镜位置，后视定向完成点云定位定向，并清洗无效数据；

步骤(3)：通过隧道设计断面,计算其特征点至实测断面线的距离及方位，进行超欠挖的自动检测；对数据预处理完成后，进行点云分析，并实时显示当前里程的超欠挖数据。

本发明可以实现三维激光扫描仪最大偏差在毫米级别，完全满足超欠挖检测的精度要求，以Z+F三维激光扫描仪为核心的隧道超欠挖检测方案，不仅精度满足隧道超欠挖检测的要求，而且比传统检测方式的效率更高；不仅可以应用于高铁隧道的安全监测，还可应用于包括地铁隧道、水利隧道、公路隧道等其他地下空间施工阶段的安全监测领域。

在本发明中，获取隧道断面轮廓的激光点云数据，并将激光点云数据转换至平面坐标系中；计算出每个激光点云数据的坐标方位角，通过数据采集系统进行数据采集，所述数据采集系统包括三维激光扫描仪、棱镜、全站仪；通过数据预处理系统进行数据的预处理；通过数据检查复查系统进行点云分析，并实时显示当前里程的超欠挖数据，所述全站仪用于对工程坐标的控制，所述三维激光扫描仪用于外业数据的采集和内业数据的处理。

本发明通过获取隧道断面轮廓的设计图，并建立平面坐标系，再将获得的隧道断面轮廓的激光点云数据转换至平面坐标系中，计算出每个激光点云数据的坐标方位角，并获得该激光云数据所在的圆弧段，最后计算出该激光点云数据的超欠挖数值，计算过程精简，能够快速获得结果；能够准确地获取该激光云数据所处的位置和准确的超欠挖数值，为隧道施工质量提供有效保障。

在本发明中，还包括数据导出系统，所述数据导出系统将断面里程、实测和参考断面面积、超欠挖面积导出成表格的形式。

在本发明中，全站仪直观放样出隧道超欠挖的位置和数值，还包括数据过滤模块，用滤波器过滤噪声点和孤立点；数据配准模块采用图像配准方法对局部点云数据进行配准，组成完成的三维点云地图；数据分割模块，采用数据分割方法对三维点云地图进行分割，得到不同平面和不同物体的点云集合数据，通过在沿隧道长度方向布设多个激光扫描测站，建立由三维激光扫描仪确定的参考坐标系，每一激光扫描测站之间设立至少3个公共的工作基点，三维激光扫描仪获取每一激光扫描测站的工作基点坐标以及隧道点云。

在数据采集过程中，将采集的数据导入到软件中，可自动寻找球棱镜位置，后视定向快速完成点云定位定向，同时可自动进行点云降噪，清洗无效数据，使测量数据更加精准可靠；数据预处理完成后，就可以进行点云分析了。主要采用的方式为2D分析和3D分析，其中2D分析结果通过色谱图的形式反映该段里程上隧道的超欠挖情况，并能实时显示当前里程的超欠挖数据。

数据分析之后，断面里程、实测和参考断面面积、超欠挖面积等关键信息在报告清晰可见，并可根据实际需求定制化格式；导出的超欠挖分析报告，一方面可以作为评估和控制施工质量的重要依据，另一方面在智能放样这个模块中可以用来指导后续地施工工作；经过大量点的精度对比发现，Z+F三维激光扫描仪最大偏差在毫米级别，完全满足超欠挖检测的精度要求；传统开挖断面的测量放样工作耗时长，影响隧道施工安全和进度。使用Z+F三维激光扫描仪配合马达全站仪，可以快速对隧道超欠挖进行有效控制，在本发明中以Z+F三维激光扫描仪为核心的隧道超欠挖检测方案，不仅精度满足隧道超欠挖检测的要求，而且比传统检测方式的效率更高；不仅可以应用于高铁隧道的安全监测，还可应用于包括地铁隧道、水利隧道、公路隧道等其他地下空间施工阶段的安全监测领域。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种用于隧道的全面检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：通过数据采集系统对隧道进行扫描，获取所述隧道的点云数据；然后对所述点云数据进行预处理，以得到预处理数据，其中包括利用全站仪配合三维激光扫描仪使用定位标靶球的方式对所述隧道进行连续扫描；

步骤(2)：对所述点云数据进行配准、去噪、坐标系归化、压缩以及三维重构处理；以及将采集的数据导入到软件中，可寻找球棱镜位置，后视定向完成点云定位定向，并清洗无效数据；

步骤(3)：通过隧道设计断面,计算其特征点至实测断面线的距离及方位，进行超欠挖的自动检测；对数据预处理完成后，进行点云分析，并实时显示当前里程的超欠挖数据。

2.如权利要求1所述的一种用于隧道的全面检测方法，其特征在于，获取隧道断面轮廓的激光点云数据，并将激光点云数据转换至平面坐标系中；计算出每个激光点云数据的坐标方位角。

3.如权利要求2所述的一种用于隧道的全面检测方法，其特征在于，通过数据采集系统进行数据采集，所述数据采集系统包括三维激光扫描仪、棱镜、全站仪；通过数据预处理系统进行数据的预处理；通过数据检查复查系统进行点云分析，并实时显示当前里程的超欠挖数据，所述全站仪用于对工程坐标的控制，所述三维激光扫描仪用于外业数据的采集和内业数据的处理。

4.如权利要求3所述的一种用于隧道的全面检测方法，其特征在于，还包括数据导出系统，所述数据导出系统将断面里程、实测和参考断面面积、超欠挖面积导出成表格的形式。

5.如权利要求4所述的一种用于隧道的全面检测方法，其特征在于，所述全站仪直观放样出隧道超欠挖的位置和数值。

6.如权利要求5所述的一种用于隧道的全面检测方法，其特征在于，还包括数据过滤模块，用滤波器过滤噪声点和孤立点；数据配准模块采用图像配准方法对局部点云数据进行配准，组成完成的三维点云地图；数据分割模块，采用数据分割方法对三维点云地图进行分割，得到不同平面和不同物体的点云集合数据。

7.如权利要求6所述的一种用于隧道的全面检测方法，其特征在于，通过在沿隧道长度方向布设多个激光扫描测站，建立由三维激光扫描仪确定的参考坐标系，每一激光扫描测站之间设立至少3个公共的工作基点，三维激光扫描仪获取每一激光扫描测站的工作基点坐标以及隧道点云。