專利名稱：隧道全斷面三維激光監控量測方法
技術領域：
本發明涉及一種測量方法，特別是一種隧道全斷面三維激光監控量測方法，適用于隧道施工凈空變化監控量測，屬于隧道工程施工監控領域。
背景技術：
我國屬于多山國家，隧道在我國山區鐵路、公路的修建中占有很大比例。目前我國的隧道工程中越來越多地采用新奧法進行施工，新奧法構筑隧道的主要特點是通過許多量測手段對開挖后隧道圍巖的動態進行監測，并以此來指導隧道支護結構的設計和施工。作為新奧法隧道施工的重要組成部分，隧道監控量測工作的準確、及時與否，直接關系著隧道施工的安全與進度。如何快速、準確的采集隧道監控量測數據，提高數據采集的精度，發明監控量測的新設備、新技術促進隧道工程的建設一直是工程界研究的重要課題。當前我國現行的監控量測規程中，規定監控量測可是使用的儀器包括收斂計、鋼掛尺、水準儀、全站儀。但是水準儀、鋼掛尺、收斂計都由于測量精度不高，受隧道施工影響較大，易對隧道造成施工阻礙，且數據存儲、傳輸、處理、分析等工作量大，工程應用不便。目前在大多數的隧道施工監控量測中技術人員都采用全站儀進行，全站儀具有精度高、施測方便、數據傳輸方便等優點，并且可以直接與計算機連接，在友好的計算機操作系統中，可以實現監測數據的自動傳輸、處理、分析。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提出了一種隧道全斷面三維激光監控量測方法，其主體是應用三維激光掃描儀器對隧道進行拱頂沉降和圍巖凈空收變化的測量，快速準確地獲得隧道全斷面三維點云圖，DEM圖和DSM圖，并利用計算機自動處理獲得隧道監控量測所需的各項資料，實現對隧道進行全斷面實時監測。本發明的技術方案如下一種隧道全斷面三維激光監控量測方法，其特征在于步驟一在所要測量的隧道內按照要求布設標靶點；步驟二 根據隧道監測的長度確定采用一站掃描還是多站掃描；步驟三在適當的位置架設儀器，采用相位干涉法三維激光掃描系統對隧道進行全斷面掃描；步驟四等待掃描完成后將數據導入計算機中；步驟五應用三維數據處理軟件，將掃描所得的點云數據經過配準步驟生成三維模型；步驟六結合以前的同一隧道不同時間經由步驟一至步驟五生成的三維模型從而生成對比模型，選定特定的斷面以及特征點便可以生成相應位置的變化量分析圖以及變化量分析表，從而完成規范規定的監控量測的必測項目，滿足對施工控制的要求。所述步驟一中的標靶點為黑白相間反光十字標靶。
所述步驟三中的儀器為FARO-III型三維激光掃描儀。三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，又稱為“實景復制技術”，是一種基于面的數據采集方式。三維激光掃描獲得的原始數據為點云數據。其主要特點是能夠快速、準確和非接觸地獲取物體表面的三維數據信息，具有實時性、主動性和較好的適應性，可以對柔性、形狀復雜、曲面不規則的物體進行快速、高精度掃描，且還原性好，所得點云數據經過直接傳輸到計算機自動處理得到隧道監控量測的各項監測數據，無需復雜的費時費力的數據后處理。本發明采用相位干涉法三維激光掃描系統，利用激光光線的連續波發射，根據光學干涉原理確定干涉相位的測量方法，適用于近距離測量，測量范圍一般小于50m，每秒可測量10000到500000個點。隧道全斷面三維激光監控量測方法可以采用一站式或多站式非接觸掃描測量，監控量測之前需要對監測斷面進行特征點埋設，并通過特征點進行監測點云數據之間的拓撲分析及多個測站所掃描的點云數據的組合即數據配準。有益效果本發明的優點在于能夠保證了隧道監控量測數據的真實性，杜絕隧道監控量測數據的人為影響，根據隧道全方位的真實監測結果進行隧道施工預警預報，降低隧道施工過程中的風險，提高隧道施工的質量；同時可以加快數據采集以及處理的進度，使得監測數據與分析結果能夠盡快轉交施工方，更好地滿足了信息化施工的要求；節省人力、物力，節約成本，提高工作效率。
圖1為本發明的隧道洞口監測三維正視點云圖與自動識別系統；圖2為本發明的隧道三維激光測量點云圖；圖3為本發明的隧道凈空變化對比模型；圖4為本發明的隧道某一斷面各點凈空絕對變化量。
具體實施例方式如圖1-4所示，本發明的隧道全斷面三維激光監控量測方法，包括如下步驟步驟一在所要測量的隧道內按照要求布設黑白相間反光十字標靶；步驟二 根據隧道監測的長度確定采用一站掃描還是多站掃描(其具體的確定方法是本領域技術人員在現有技術的狀況下能夠準確確定或獲知的，屬于現有技術)；步驟三在適當的位置架設FARO-III型三維激光掃描儀，采用相位干涉法三維激光掃描系統對隧道進行全斷面掃描；步驟四等待掃描完成后將數據導入計算機中；步驟五應用三維數據處理軟件，將掃描所得的點云數據經過配準步驟生成三維模型；步驟六結合以前的同一隧道不同時間經由步驟一至步驟五生成的三維模型從而生成對比模型，選定特定的斷面以及特征點便可以生成相應位置的變化量分析圖以及變化量分析表，從而完成規范規定的監控量測的必測項目，滿足對施工控制的要求。
具體來說，以FARO-III型三維激光掃描儀為例，在監測點布設黑白相間反光十字標靶，在三維掃描過程中這些標靶將會被掃描到點云數據中，在后期數據處理中，軟件會自動識別標靶可以方便的完成數據配準。同時測量時可引用已有控制點，系統會將測量數據自動改算成大地坐標值和絕對高程值。隧道全斷面三維激光監控量測方法通過每天對隧道進行全斷面掃描，將當天數據通過軟件后處理生成隧道點云圖及三維全景影像圖，然后通過對比當天的數據與前一天的相同斷面數據建立對比模型，從該模型中就可以清楚地看得到隧道各部分的收斂變形情況，得到據隧道洞內同一斷面不同時間的斷面對比分析圖，通過圖形對比可以直觀得到該隧道內壁任意一點的絕對位置變化量。通過進一步處理還可以生成拓撲誤差分析表和觀測點點位位移，生成分析報表，得到了傳統意義上的隧道斷面各個點位拱頂沉降與凈空變化值，同時還可以得到隧道模型內任意點的變化值而不局限于各斷面里程所布的點數，真正意義上做到隧道全斷面監控量測。以上僅是本發明的一個典型實施例，本發明的實施不限于此。
權利要求
1.一種隧道全斷面三維激光監控量測方法，其特征在于步驟如下 步驟一在所要測量的隧道內按照要求布設標靶點；步驟二 根據隧道監測的長度確定采用一站掃描還是多站掃描； 步驟三在適當的位置架設儀器，采用相位干涉法三維激光掃描系統對隧道進行全斷面掃描；步驟四等待掃描完成后將數據導入計算機中；步驟五應用三維數據處理軟件，將掃描所得的點云數據經過配準步驟生成三維模型；步驟六結合以前的同一隧道不同時間經由步驟一至步驟五生成的三維模型從而生成對比模型，選定特定的斷面以及特征點便可以生成相應位置的變化量分析圖以及變化量分析表，從而完成規范規定的監控量測的必測項目，滿足對施工控制的要求。
2.根據權利要求1所述的一種隧道全斷面三維激光監控量測方法，其特征在于所述步驟一中的標靶點為黑白相間反光十字標靶。
3.根據權利要求1所述的一種隧道全斷面三維激光監控量測方法，其特征在于所述步驟三中的儀器為FARO-III型三維激光掃描儀。
全文摘要
本發明涉及一種隧道全斷面三維激光監控量測方法，屬于隧道工程施工監控領域。其方法為在所要測量的隧道內按照要求布設標靶點；根據隧道監測的長度確定采用一站掃描還是多站掃描；在適當的位置架設儀器，對隧道進行全斷面掃描；等待掃描完成后將數據導入計算機中；應用三維數據處理軟件，將掃描所得的點云數據經過配準步驟生成三維模型；結合以前的同一隧道不同時間的三維模型從而生成對比模型，選定特定的斷面以及特征點便可以生成相應位置的變化量分析圖以及變化量分析表。本發明對隧道實施全斷面實時監測，提高監控量測工作的速度與準確度，節省人力物力，提高了隧道監控量測的速度和質量，為隧道工程建設提供了可靠的保障。
文檔編號G01C7/06GK102564393SQ20111044822
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者倪婷婷, 朱明巖, 藺清君, 鄧啟華, 鄧洪亮, 陳凱江, 高文學 申請人:中鐵二十二局集團有限公司, 北京工業大學