CN111022066A - 一种基于bim与gis的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统 - Google Patents

一种基于bim与gis的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统，包括：监管平台，用于融合至少一个风险子源的模型数据及其周边环境的实时地理信息空间数据；所述模型数据包括变形数据和静态数据，其中，所述变形数据是由激光扫描监测平台在盾构机穿越过程中监测所述至少一个风险子源时采集；所述监管平台包括BIM子模块和GIS子模块，其中，所述BIM子模块能够在所述GIS获取实时地理信息空间数据的情况下获取所述变形数据，并基于所述变形数据与所述静态数据进行比较生成比对结果，用于所述监管平台能够对所述风险子源进行动态管控。

Description

一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统
技术领域
本发明涉及领域，尤其涉及一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统。
背景技术
随着城市地铁建设密集程度的增加，带来的施工风险也日趋增多。新修地铁线路不仅要考虑穿越既有建筑物、构筑物，也要考虑穿越各类运行线路(铁路、公路、高速、地铁等)，大大增加了施工的安全风险。而目前地铁建设穿越风险所依靠的仍然以人工监测为主，尤其对于穿越公路情况，需要人工在路面布点进行监测，过往车辆通行给监测人员带来极大的安全隐患；其次，对于目前穿越风险的管控主要以二维数据源为基础，缺乏对穿越过程的直观体验，且会因各种因素导致无法采集监测数据，不能实现对穿越过程的实时动态管控。
公开号为CN109101668A的中国专利公开的一种基于BIM实现盾构施工多源安全风险数据集成方法。该方法包括：从视频平台获取的摄像机视频监控数据进入到逻辑加工层中；从盾构系统获取盾构机数据、从安全管理系统和隐患排查系统获取数据到平台前置接口处理层；其他系统数据可获取到平台前置接口处理层；以上四种数据依次从平台前置接口处理层进入逻辑加工层、数据持久层、数据库进行处理和存储，然后再返回至逻辑加工层；所有数据会同后进入盾构管理平台进行应用展示。该方法集成多种数据方式，在同一平台进行可视化展示与对比，有效地综合了安全隐患数据，为施工提供预警及处理措施建议。
公开号为CN106503381A的中国专利公开的一种基于BIM-GIS技术的地铁暗挖车站虚拟施工现场构建方法。其包括如下步骤：确定地铁暗挖车站的周边环境的建模范围及建模内容；确定地铁暗挖车站的建模内容以及建模原则；确定施工临建的建模内容；建立周边环境、暗挖地铁车站以及施工临建的BIM模型；获取BIM模型的GIS图像模型；根据B/S网络架构建立BIM-GIS数据平台；将建立的BIM模型集成至BIM-GIS数据平台。该发明的基于BIM-GIS技术的地铁暗挖车站虚拟施工现场构建方法，不仅能够高效解决施工与周边环境的空间关系问题，也为基于真实三维场景的施工管理信息化奠定数据基础。
公开号为CN109899076A的中国专利公开的一种基于BIM技术的盾构下穿地铁的智能化施工及监测系统。其包括BIM云端管理子系统、盾构机下穿铁路子系统和监测数据模型，盾构机下穿铁路子系统和监测数据模块，盾构机下穿铁路子系统包括铺设于土体之上的铁路轨枕和在土体内掘进的盾构机，盾构机设有采集施工参数的盾构机掘进参数模块和工程概况参数模型，监测数据模块包括无人机模块和传感器模块，无人机模块采集铁路的轨枕数据，传感器模块采集土体数据，BIM云端管理子系统获取轨枕数据、土体数据和施工参数并根据这些数据确定最佳掘进参数，并控制盾构机按照最佳掘进擦书施工。该发明的有益效果：采用无人机监测，保证了监测人员安全以及监测数据可靠性，增加了监测数据样本量以及监测的连续性。
例如，公开号为CN109101709A的中国专利公开的一种3D激光扫描技术与BIM技术相结合的现场施工管理系统。其包括BIM模型的建立与优化、现场施工质量管理。其具体执行的步骤为：数据采集，利用3D激光扫描仪进行现场扫描，采集目标构筑物工程的真实、完整的原始数据，得到具有精确空间信息的点云数据；数据处理，将采集的三维激光电源数据利用点云预处理软件进行拼接、去燥、分类、着色处理；扫面模型建立，将预处理电云数据导入到Revit软件生成扫描BIM模型；3D激光扫描和BIM技术同步现场施工管理，将扫面BIM模型与设计CAD模型、BIM模型进行精确对比分析，寻找施工现场与设计的不同点，并对设计模型进行优化处理。
例如，公开号为CN109446717A的中国专利公开的一种基于BIM加3DGIS线性工程二三维联动展示方法。该方法包括：获取建模资料，如模型CAD图纸；将步骤1获得的资料进行基础建模，按照WGS84坐标系进行坐标转换；将步骤2中的模型进行参数化处理，获取模型信息；将步骤3中获取的模型信息、工程管理信息以及3DGIS影响图层信息导入BIM平台，将数据导入平台拟合后进行BIM加3DGIS二三维联动可视化展示。
随着城市地铁建设密集程度的增加，带来的施工风险也日趋增多。新修地铁线路不仅要考虑穿越既有建筑物、构筑物，也要考虑穿越各类运行线路(铁路、公路、高速、地铁等)，大大增加了施工的安全风险。而目前地铁建设穿越风险所依靠的仍然以人工监测为主，尤其对于穿越公路情况，需要人工在路面布点进行监测，过往车辆通行给监测人员带来极大的安全隐患；其次，对于目前穿越风险的管控主要以二维数据源为基础，缺乏对穿越过程的直观体验，且会因各种因素导致无法采集监测数据，不能实现对穿越过程的实时动态管控。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统，依托先进的激光监测技术，改善现状地铁监测技术，并利用BIM、GIS技术实现对穿越区域的实时监控，通过建立数据平台进行分析处理实现风险源穿越过程的动态演示和实时分析，大大提高对风险源管控的识别、提取、监控、处理等，也将有利于对风险穿越的信息化管理。
该三维模拟及监控系统包括监管平台，监管平台，用于融合由BIM子模块获得的至少一个风险子源的模型数据及由GIS子模块的所述风险子源周边环境的地理信息空间数据。能够获取盾构机的实时空间数据，通过该实时空间数据能够为激光扫描监测平台提供监测方案也能够为健康监测平台提供预警方案；GIS子模块还能够提供用于描述风险子源之间的地理位置关系的空间位置数据，便于监管平台能够对盾构施工中的风险子源集中管控。本发明提供一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统，至少具有根据下优势：
(1)BIM子模块能够将风险子源的三维数据(x，y，z)在盾构施工过程中引入时间要素t以搭建风险子源的四维数据(x，y，z，t)，直接地反映出风险子源在盾构穿越过程中的动态变化过程，这有利于发现在盾构穿越过程中风险子源可能存在形变，提前采取应对方案，防止可能具有实质性破坏的形变继续演变；GIS子模块不仅为BIM提供实时的时间要素t还能够获取盾构机的实时空间数据，通过该实时空间数据能够为激光扫描监测平台提供监测方案也能够为健康监测平台提供预警方案；GIS子模块还能够提供用于描述风险子源之间的地理位置关系的空间位置数据，便于监管平台100能够对盾构施工中的风险子源集中管控。(2)结构物的沉降位移在盾构正穿至结构物时随时间的变化率是比其他施工阶段大的，因此提升其测量频率，能够有效地根据记录数据刻画出其沉降规律，为现场施工提供例如调整刀盘扭矩、调整掘进速度和增加支护等施工参数调节的指导；其次，现场需要配置过多的测量人员对结构物进行测量，为此根据本发明的测量频率设置可以对测量工程人员进行排班和调度，以节约人力资源成本。
所述模型数据包括变形数据和静态数据，其中，所述变形数据是由激光扫描监测平台在盾构机穿越过程中监测所述至少一个风险子源时采集；其中，所述BIM子模块能够在所述GIS获取地理信息空间数据的情况下获取所述变形数据，并基于所述变形数据与所述静态数据进行比较生成比对结果，用于所述监管平台能够对所述风险子源进行动态管控。GIS子模块不仅为BIM提供实时的时间要素t，以使得BIM子模块能够将风险子源的三维数据在盾构施工过程中引入时间要素t以搭建风险子源的四维数据，直接地反映出风险子源在盾构穿越过程中的动态变化过程，这有利于发现在盾构穿越过程中风险子源可能存在形变，提前采取应对方案，防止可能具有实质性破坏的形变继续演变。
根据一种优选的实施方式，所述地理信息空间数据包括所述风险子源与所述盾构机之间的实时空间数据，其中，所述激光扫描监测平台的采集所述变形数据的采集频率是基于所述第一实时空间数据数据而设定，用于所述激光扫描监测平台能够在所述盾构的不同施工阶段对所述风险子源实施不同的监测力度。
根据一种优选的实施方式，所述激光扫描监测平台的激光扫描仪基于所述风险子源的几何特性围绕布置于所述风险子源，从而所述激光扫描仪获取的点云能够根据所述风险子源的几何特性形成至少一个特征点，所述至少一个特征点用于构建所述风险子源的扫描断面，使得所述扫描断面的变位数据能够作为所述变形数据。
根据一种优选的实施方式，所述点云的第二三维坐标是在所述风险子源的安全区域内设置的至少三个标准点形成的绝对坐标系下获得的，其能够按照如下方式获取：在所述风险子源的风险区域内布置至少三个观察点，获取其所述绝对坐标系下的第三三维坐标；建立由所述激光扫描仪确定的参考坐标系；使用所述激光扫描仪扫描获取所述至少三个观察点的第一三维坐标和所述点云；以所述至少三个观察点在所述绝对坐标中的第三三维坐标为基准，将所述第一三维坐标以及点云从所述参考坐标系变换至所述绝对坐标系中，从而得到所述点云在所述绝对坐标系中的第二三维坐标。
根据一种优选的实施方式，所述激光扫描仪按照能够扫描所述风险子源的全部区域以及所述观察点的方式布置，以使得每个激光扫描仪在对所述风险子源和观察点扫描完成之后能够以所述观察点作为拼接点的方式将每个激光扫描仪获得的部分点云统一至所述参考坐标系，从而获取所述风险子源完整的点云。
根据一种优选的实施方式，所述三个标准点按照能够覆盖所述风险子源的风险区域的方式设置于所述安全区域，每个观察点与至少两个标准点以及至少两个激光扫描仪按照通视设置，以使得所述观察点能够将所述参考坐标系和所述绝对坐标基于坐标变换原理关联；其中，所述风险区域是指所述盾构施工过程中对所述风险子源的影响区域，所述影响区域边界线以外的1～4倍盾构深度为所述安全区域。
根据一种优选的实施方式，所述地理信息空间数据包括用于描述所述风险子源之间的地理位置关系的空间位置数据，所述空间位置数据与所述静态数据能够以可视化展示所述风险子源的方式构建初始三维空间模型，便于所述监管平台能够对盾构施工中的风险子源集中管控。
根据一种优选的实施方式，所述系统还包括健康监测平台，所述健康监测平台与所述监管平台之间设置有数据接口，以使得所述健康监测平台将所述比对结果与设定安全阈值进行对比，并能够输出对应的预警结果；其中，所述健康监测平台读取与所述实时空间数据数据相对应的所述设定安全阈值。
根据一种优选的实施方式，本发明还公开了一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控方法，监管平台，用于融合由BIM子模块获得的至少一个风险子源的模型数据及由GIS子模块的所述风险子源周边环境的地理信息空间数据；所述模型数据包括变形数据和静态数据，其中，所述变形数据是由激光扫描监测平台在盾构机穿越过程中监测所述至少一个风险子源时采集；其中，所述BIM子模块能够在所述GIS获取地理信息空间数据的情况下获取所述变形数据，并基于所述变形数据与所述静态数据进行比较生成比对结果，用于所述监管平台能够对所述风险子源进行动态管控。
根据一种优选的实施方式，所述地理信息空间数据包括所述风险子源与所述盾构机之间的实时空间数据，其中，所述激光扫描监测平台的采集所述变形数据的采集频率是基于所述第一实时空间数据数据而设定，用于所述激光扫描监测平台能够在所述盾构的不同施工阶段对所述风险子源实施不同的监测力度。
附图说明
图1是本发明提供的一种系统的逻辑示意图；和
图2是本发明提供的一种优选的点云坐标的测量示意图示意图。
附图标记列表
100：监管平台 400：标准点
200：激光扫面监测平台 500：观察点
300：健康监测平台 600：激光扫描仪
具体实施方式
下面结合附图1-2进行详细说明。
BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型，)是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。
GIS(Geographic Information System或Geo-Information system，地理信息系统)，属于一种特定的空间信息系统，在目前计算机信息技术的支持下，能够对各个空间的地理分布数据进行收集、分析、计算和关系。GIS数据作为其中的最基本的内容，能够对城市建筑的空间地理信息进行采集、管理和维护。
BIM与GIS之间并无可替代性，而是更倾向于一种互补关系。GIS的出现为城市的智慧化发展奠定了基础，BIM的出现附着了城市建筑物的整体信息，两者的结合创建了一个附着了大量城市信息的虚拟城市模型，而这正是智慧城市的基础。总体来说，BIM是用来整合和管理建筑物本身所有阶段信息，GIS则是整合及管理建筑外部环境信息。把微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息进行交换和结合，对实现智慧城市建设发挥了不可替代的作用。在本发明中，监管平台是由BIM子模块和GIS子模块集成的一种用于模拟盾构机穿越风险子源时风险子源动态变化的平台。
3D激光扫描技术能够提供有效测程的一定采用密度的点云数据，并具有较高的测量精度和极高的数据采集效率，且采样点云为海量，上千万数量级，形成了一个基于点云的离散三维模型数据场。三维激光扫描技术出现于20世纪90年代，是一种能在不接触目标对象的情况下快速获取其表面三维坐标的测量技术，用三维激光扫描技术获取的目标体表面的海量三维数据被称为点云。它以海量、自动化的获取目标体表面三维坐标的方式取代了传统测绘的单点空间坐标获取方式。三维激光扫描技术主要应用于目标体的高精度逆向三维重建，物体高精度逆向三维建模往往需要几万乃至成百上千万个测量点，传统的测量手段无法满足其对测量点数量要求，三维激光扫描技术的出现使这个问题得以解决。近年来，随着该技术的不断发展，仪器越来越轻便，操作越来越简便，应用不断在各领域普及，地面三维激光扫描技术也逐步被应用到变形监测中。作为一种新的变形监测技术手段，地面三维激光扫描技术有其独特的技术优势：不用在变形体上设立监测点，免除了设立和维护监测点的工作；无需接触变形体即可获取其表面三维坐标；外业获取点云的速度快；点云密度大，通过相关处理后可以获取变形体表面完整的细部特征及形变；虽然目前单点定位的精度没有传统技术手段高，但是目标对象表面模型化之后的点位精度很高，可达1～2mm。用地面三维激光扫描技术监测矿区地表变形，是目前开采沉陷领域研究的热点。三维激光扫描技术监测地表开采沉陷区域时，用面状或带状扫描点云数据代替了传统的线状主断面监测点数据，大大丰富了外业数据信息的获取，使矿区地表变形监测成果更加具化；传统的监测手段需要埋设很多的监测点，由于矿区地表采动，观测周期长时监测点很难维护，受损坏后造成后期监测点数据缺失，三维激光扫描技术则不需埋设监测点，大大提高了矿区地表变形监测的数据采集效率，使监测效果得以加强。
风险子源是指地表的既有的结构物、既有的地下空间、既有的隧道、既有的市政管道等。在城市中，具有若干风险子源，因此若干风险子源的组合即为本发明中所指的风险源。
实施例1
本实施例公开一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统。如图1所示为一种优选的系统。其包括监管平台100和激光扫面监测平台200。激光扫面监测平台200与BIM子模块通过无线的方式实现变形数据的传输。BIM子模块和GIS子模块均可以安装在一计算设备上。监管平台100也可以安装在同一计算设备上，用于融合至少一个风险子源的模型数据及其周边环境的地理信息空间数据。监管平台是将BIM子模块的数据和GIS子模块的数据融合的一种用于模拟盾构机穿越风险子源时风险子源动态变化的平台。
模型数据包括变形数据和静态数据。变形数据是由激光扫描监测平台200在盾构机穿越过程中监测至少一个风险子源时采集。在盾构机穿越过程中，风险子源会发生形变(例如倾斜、截面变形、沉降等)，此时这些形变均可以通过激光扫描监测平台200测得。倾斜、截面变形、沉降均可以通过测量风险子源的点云，由三维坐标表达。静态数据则是在未进行盾构穿越过程中风险子源的原始3D数据，可以通过软件Creo、CAD等导入BIM子模块。GIS子模块主要用于获取盾构机的地理空间数据，其能够采集盾构机与风险子源的空间数据数据。BIM通过其通信输入接口获取激光扫描监测平台200采集的变形数据。BIM子模块能够在GIS获取地理信息空间数据的情况下获取该变形数据。BIM子模基于变形数据与静态数据进行比较生成比对结果，用于监管平台100能够对风险子源进行动态管控。按照这种方式，本发明至少具有如下的优势：1、BIM子模块能够将风险子源的三维数据(x，y，z)在盾构施工过程中引入时间要素t以搭建风险子源的四维数据(x，y，z，t)，直接地反映出风险子源在盾构穿越过程中的动态变化过程，这有利于发现在盾构穿越过程中风险子源可能存在形变，提前采取应对方案，防止可能具有实质性破坏的形变继续演变；2、GIS子模块不仅为BIM提供实时的时间要素t还能够获取盾构机的实时空间数据，通过该实时空间数据能够为激光扫描监测平台200提供监测方案也能够为健康监测平台300提供预警方案；3、GIS子模块还能够提供用于描述风险子源之间的地理位置关系的空间位置数据，便于监管平台100能够对盾构施工中的风险子源集中管控。
优选地，地理信息空间数据包括风险子源与盾构机之间的实时空间数据。激光扫描监测平台200的采集变形数据的采集频率是基于空间数据数据而设定。例如，激光扫描监测平台200能够在盾构正穿至风险子源时的第二测量频率大于在盾构未穿至风险子源时的第一测量频率。和/或激光测量单元100能够在盾构下穿至风险子源时的第二测量频率大于在盾构已穿过风险子源时的第三测量频率。这种方式主要用于激光扫描监测平台200能够在盾构的不同施工阶段对风险子源实施不同的监测力度。例如，该风险子源是地面结构物，按照这种方式，本发明能够有针对性地在盾构正穿至结构物时对结构物的沉降位移进行监测，具体地：结构物的沉降位移在盾构正穿至结构物时随时间的变化率是比其他施工阶段大的，因此提升其测量频率，能够有效地根据记录数据刻画出其沉降规律，为现场施工提供例如调整刀盘扭矩、调整掘进速度和增加支护等施工参数调节的指导；其次，现场需要配置过多的测量人员对结构物进行测量，为此根据本发明的测量频率设置可以对测量工程人员进行排班和调度，以节约人力资源成本。
盾构刀盘与风险子源的位置关系可以按照如下方式定义：首先，在空间数学模型中，将风险子源整体平移至待预设隧道的上方，形成第一虚拟风险子源；然后再将风险子源按照其几何中心或者重心与预设隧道的轴线重合的方式平移，形成第二虚拟风险子源，使得预设隧道能够贯穿第二虚拟风险子源；其次，在刀盘运动过程中，如果刀盘运动至第二虚拟风险子源内时，则可以描述为盾构刀盘正穿越至风险子源(第二施工阶段)；如果刀盘尚未运动至第二虚拟风险子源内时，则可以描述为盾构刀盘尚未穿越至风险子源(第一施工阶段)；如果刀盘已运动出第二虚拟风险子源时，则可以描述为盾构刀盘已穿越出风险子源(第三施工阶段)。第一施工阶段、第二施工阶段和第三施工阶段均可以由实时空间数据直接地反应。
优选地，激光扫描监测平台200的至少一个激光扫描仪基于风险子源的几何特性围绕布置于风险子源。例如，该风险子源为地面结构物，将该地面结构物在地表的投影形成的轮廓线作为其几何特征。如图2所示，某一结构物在地面的轮廓线近似L形。激光扫描仪的布置方式能够将该“L”形结构物的六边均能进行扫描，获取到若干点云。将每一边的点云作为一个区段分割出来，而又将每一个区段的点云分割成若干个区域。例如，将电源分割成若干个方形网格区域，并且为每个方形网格区域内的点云定义坐标系(x轴为水平方向，z为竖直方向、y为风险子源的法线方向)，则任意第i个点云的坐标为：
Pi＝(xi，yi，zi)，i＝1，2…n
区域的边界可以由xm和ym两个参数决定：
xm≤xi≤xm+dx
zm≤zi≤zm+dz
式中，dx和dz分别是方形网格的长和宽。
将每一个区域内的点云转化成一个特征点，从而实现激光扫描仪(600)获取的点云能够根据风险子源的几何特性形成至少一个特征点。任意一个区域内的特征点坐标P*＝(x*，y*，z*)可以按照如下方式计算：
x*＝xm+dx/2
y*＝1/n·∑yi
z*＝zm+dz/2
其中，至少一个特征点用于构建风险子源的扫描断面，使得扫描断面的变位数据能够作为变形数据。例如，如图2所示，这些可以形成6个扫描断面。这些扫面断面的变位数据(pi会随时间变化，导致P*也会随时间变化，进而这些P*形成的集合也会随时间变化，P*形成的集合的变化定义为变位数据)可以作为变形数据。
优选地，点云的第二三维坐标按照如下方式获得：
S1：在风险子源的安全区域内设置至少三个标准点。根据几何学原理，至少三个标准点能够用于形成绝对坐标系。绝对坐标系是在盾构施工之前通过对至少三个标准点进行高程控制测量法、平面控制测量法和三维控制测量法而获取。高程控制测量法包括水准测量方法、电磁波测距三角高程测量方法。平面控制测量包括边角测量、导线测量、GPS测量及三角测量、三边测量。三维控制测量法包括GPS测量及边角测量、导线测量、水准测量和电磁波测距三角高程测量的组合。在风险子源的安全区域外通过布设至少三个棱镜作为标准点400，标准点400是布置于能够覆盖整个基坑的，例如，如图2所示的四个标准点400。根据几何学原理，每个棱镜能够确定一个标准点400的坐标，从而需要至少三个标准点400形成一个绝对坐标系。
S2：在风险子源的风险区域内布置至少三个观察点500，并获取其绝对坐标系下的第三三维坐标。第三三维坐标是由已知的标准点400测量观察点500而获取，其也是通过高程控制测量法、平面控制测量法和三维控制测量法在每一次测量风险子源变形之前测得。
S3：建立由激光扫描仪600确定的参考坐标系。优选地，参考坐标系是由激光扫描仪600中的内部系统指定，以激光扫描仪600所在的位置为坐标系的原点，在水平内以某两个互相垂直的方向为X和Y轴，以竖直方向为Z轴。
S4：使用激光扫描仪600扫描获取至少三个观察点500的第一三维坐标和点云。第一三维坐标是在参考坐标系下而获取。点云是在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。
S5：根据坐标变换原理，以至少三个观察点500在绝对坐标中的第三三维坐标为基准，将第一三维坐标以及点云从参考坐标系变换至绝对坐标系中，从而得到点云在绝对坐标系中的第二三维坐标。由于激光扫描仪600是在风险区域内，其会随着盾构施工而发生坐标变化，该参考坐标系实则上会随时间变化而变化，因而观察点500的第一三维坐标(在参考坐标系中)也是会变化的，以观察点500的第三三维坐标(在绝对坐标系中)作为基准，将点云从参考坐标系变换至绝对坐标系中，并删除绝对坐标系中除风险子源点云以外的噪声点。本发明的点云首先在参考坐标系中获取，而后基于观察点500将参考坐标系和绝对坐标系的关联，将点云变换至绝对坐标系中。按照这种方式，点云能够与BIM子模块中对应的风险子源的静态数据(静态数据是在绝对坐标系中建立的)，因此在绝对坐标系中的坐标变化能够直接地形成交形数据，使得其能够与静态数据形成对比结果；其次，在不同的盾构掘进施工阶段，点云的获取频率是基于空间数据数据而设定的，具体地：结构物的沉降位移在盾构正穿至结构物时随时间的变化率是比其他施工阶段大的，因此提升点云的测量频率，缩短测量时间，更有利于根据测量数据刻画出其沉降规律，为现场施工提供例如调整刀盘扭矩、调整掘进速度和增加支护等施工参数调节的指导。
优选地，激光扫描仪600按照能够扫描风险子源的全部区域以及观察点500的方式布置。例如，如图2所示，激光扫描仪600按照分站式布设于“L”型风险子源的六面，每一个激光扫描仪600负责对一部分风险子源进行扫描，并且每一个激光扫描仪600同时也能够对观察点500进行扫描。在对风险子源和观察点500扫描完成之后能够以观察点500作为拼接点的方式将每个激光扫描仪600获得的部分点云统一至参考坐标系，从而获取风险子源完整的点云。优选地，上述点云的处理均可以导入点云后处理平台，例如Cylone、Polyworks、Realworks、Survey、Geomagic中的任意一种。例如，将观察点500在绝对坐标系中的第三三维坐标导入点云后处理平台中，作为第一组数据；将参考坐标系中的观察点500的第一三维坐标以及风险子源的点云导入点云后处理平台，作为第二组数据。利用点云后处理平台的点云拼接功能对两组数据进行拼接，拼接时以观察点500作为拼接控制点，以第一组数据的坐标系作为拼接的基准坐标系，将风险子源的点云配准至绝对坐标系中。
优选地，至少三个标准点400按照能够覆盖风险子源的风险区域的方式设置于安全区域。例如，如图2所示，标准点400位于风险区域边界以外并且按照四角布置，能够覆盖整个风险子源的风险区域。根据坐标变换的原理，每个观察点500与至少两个标准点400以及至少两个激光扫描仪600按照通视设置，以使得观察点500能够将参考坐标系和绝对坐标关联。其中，风险区域是指盾构施工过程中对风险子源的影响区域。影响区域边界线以外的1～4倍盾构深度为安全区域。
优选地，系统还包括健康监测平台300。健康监测平台300与监管平台100之间设置有数据接口，以使得健康监测平台300将比对结果与设定安全阈值进行对比，并能够输出对应的预警结果。其中，健康监测平台300读取与实时空间数据数据相对应的设定安全阈值。例如，健康监测平台300与监管平台100可以集成在一个计算机中。健康监测平台300可以将其预警结果通过无线协议发送至工程人员的收集APP中或者将预警结果显示于指挥中心的大屏幕上。例如，健康监测平台300按照如下方式配置：在结构物的位移大于或等于对应的施工阶段的位移的设定安全阈值的情况下，报警单元发出第一报警信号。和/或在结构物的位移的变化率大于或等于对应的施工阶段的位移的变化率的设定安全阈值的情况下，报警单元发出第二报警信号。例如，在盾构正穿至结构物下方时，监管平台100基于GIS子模块获取的实时空间数据读取第二施工阶段对应的最大沉降位移及第二位移变化率，并以此作为结构物位移和位移变化率的设定安全阈值，如果激光测量党员100测量出的结构物的位移大于或等于对应的施工阶段的位移的设定阈值的情况下，报警单元发出第一报警信号，该第一报警信号可以是呈现在指挥中心的屏幕上，用以指导现场作业。
实施例2
本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
优选地，地理信息空间数据包括用于描述风险子源之间的地理位置关系的空间位置数据。在一个盾构建设隧道的工程中，尤其是在城市隧道建设工程中，需要进行监控的风险子源的数量较多，且由于风险子源之间的距离一般较小。因此，为了使得指挥中心或者指挥分中心实施获取现场监测数据，优选地，GIS子模块为监管平台地理信息空间数据包括用于描述风险子源之间的地理位置关系的空间位置数据，用于与BIM子模块的风险子源的变形数据融合。因此，该系统能够在一个盾构建设隧道的工程中，对整个盾构施工过程的风险子源进行大数据监控。因此，空间位置数据与静态数据能够以可视化展示风险子源的方式构建初始三维空间模型，便于监管平台100能够对盾构施工中的风险子源集中管控。
实施例3
本实施例公开了一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控方法，在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
监管平台100融合至少一个风险子源的模型数据及其周边环境的地理信息空间数据；
模型数据包括变形数据和静态数据，其中，变形数据是由激光扫描监测平台200在盾构机穿越过程中监测至少一个风险子源时采集；
监管平台100配置有BIM子模块和GIS子模块；
其中，BIM子模块能够在GIS获取地理信息空间数据的情况下获取变形数据，并基于变形数据与静态数据进行比较生成比对结果，用于监管平台100能够以可视化的方式对风险子源进行管控。
地理信息空间数据包括风险子源与盾构机之间的实时空间数据，
其中，激光扫描监测平台200的采集变形数据的采集频率是基于第一实时空间数据数据而设定，用于激光扫描监测平台200能够对风险子源在盾构的不同施工阶段实施不同的监测力度。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控系统，包括：
监管平台(100)，用于融合由BIM子模块获得的至少一个风险子源的模型数据及由GIS子模块的所述风险子源周边环境的地理信息空间数据；
其特征在于，
所述模型数据包括变形数据和静态数据，其中，所述变形数据是由激光扫描监测平台(200)在盾构机穿越过程中监测所述至少一个风险子源时采集；
其中，所述BIM子模块能够在所述GIS获取地理信息空间数据的情况下获取所述变形数据，并基于所述变形数据与所述静态数据进行比较生成比对结果，用于所述监管平台(100)能够对所述风险子源进行动态管控。
2.根据权利要求1所述的模拟及监控系统，其特征在于，所述地理信息空间数据包括所述风险子源与所述盾构机之间的实时空间数据，
其中，所述激光扫描监测平台(200)的采集所述变形数据的采集频率是基于所述第一实时空间数据数据而设定，用于所述激光扫描监测平台(200)能够在所述盾构的不同施工阶段对所述风险子源实施不同的监测力度。
3.根据权利要求1或2所述的模拟及监控系统，其特征在于，所述激光扫描监测平台(200)的至少一个激光扫描仪(600)基于所述风险子源的几何特性围绕布置于所述风险子源，从而所述激光扫描仪(600)获取的点云能够根据所述风险子源的几何特性形成至少一个特征点，
所述至少一个特征点用于构建所述风险子源的扫描断面，使得所述扫描断面的变位数据能够作为所述变形数据。
4.根据前述权利要求之一所述的模拟及监控系统，其特征在于，所述点云的第二三维坐标是在所述风险子源的安全区域内设置的至少三个标准点(400)形成的绝对坐标系下获得的，其能够按照如下方式获取：
在所述风险子源的风险区域内布置至少三个观察点(500)，获取其所述绝对坐标系下的第三三维坐标；
建立由所述激光扫描仪(600)确定的参考坐标系；
使用所述激光扫描仪(600)扫描获取所述至少三个观察点(500)的第一三维坐标和所述点云；
以所述至少三个观察点(500)在所述绝对坐标中的第三三维坐标为基准，将所述第一三维坐标以及点云从所述参考坐标系变换至所述绝对坐标系中，从而得到所述点云在所述绝对坐标系中的第二三维坐标。
5.根据前述权利要求之一所述的模拟及监控系统，其特征在于，所述激光扫描仪(600)按照能够扫描所述风险子源的全部区域以及所述观察点(500)的方式布置，以使得每个激光扫描仪(600)在对所述风险子源和观察点(500)扫描完成之后能够以所述观察点(500)作为拼接点的方式将每个激光扫描仪(600)获得的部分点云统一至所述参考坐标系，从而获取所述风险子源完整的点云。
6.根据前述权利要求之一所述的模拟及监控系统，其特征在于，所述三个标准点(400)按照能够覆盖所述风险子源的风险区域的方式设置于所述安全区域，
每个观察点(500)与至少两个标准点(400)以及至少两个激光扫描仪(600)按照通视设置，以使得所述观察点(500)能够将所述参考坐标系和所述绝对坐标基于坐标变换原理关联；
其中，所述风险区域是指所述盾构施工过程中对所述风险子源的影响区域，所述影响区域边界线以外的1～4倍盾构深度为所述安全区域。
7.根据前述权利要求之一所述的模拟及监控系统，其特征在于，所述地理信息空间数据包括用于描述所述风险子源之间的地理位置关系的空间位置数据，
所述空间位置数据与所述静态数据能够以可视化展示所述风险子源的方式构建初始三维空间模型，便于所述监管平台(100)能够对盾构施工中的风险子源集中管控。
8.根据前述权利要求之一所述的模拟及监控系统，其特征在于，所述系统还包括健康监测平台(300)，所述健康监测平台(300)与所述监管平台(100)之间设置有数据接口，以使得所述健康监测平台(300)将所述比对结果与设定安全阈值进行对比，并能够输出对应的预警结果；
其中，所述健康监测平台(300)读取与所述实时空间数据数据相对应的所述设定安全阈值。
9.一种基于BIM与GIS的盾构机风险源穿越三维模拟及监控方法，包括：
监管平台(100)融合由BIM子模块获得的至少一个风险子源的模型数据及由GIS子模块的所述风险子源周边环境的地理信息空间数据；
其特征在于，
所述模型数据包括变形数据和静态数据，其中，所述变形数据是由激光扫描监测平台(200)在盾构机穿越过程中监测所述至少一个风险子源时采集；
其中，所述BIM子模块能够在所述GIS获取地理信息空间数据的情况下获取所述变形数据，并基于所述变形数据与所述静态数据进行比较生成比对结果，用于所述监管平台(100)能够对所述风险子源进行动态管控。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述地理信息空间数据包括所述风险子源与所述盾构机之间的实时空间数据，
其中，所述激光扫描监测平台(200)的采集所述变形数据的采集频率是基于所述第一实时空间数据数据而设定，用于所述激光扫描监测平台(200)能够对所述风险子源在所述盾构的不同施工阶段实施不同的监测力度。
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