一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法与流程

本发明属于隧道监控量测技术领域，特别是一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法，能够快速完成隧道水平收敛和拱顶沉降的监控量测。

背景技术：

隧道变形，是指隧道由于受地面或者周边建筑物负载以及土体扰动、隧道周边工程施工及隧道工程结构施工等对隧道产生的综合影响所造成的隧道变形。变形监测的主要目的是要获取目标物在不同时间段的相对变化，变化越大代表形变越大。传统的隧道变形量测技术多采用接触式量测法，测量效率低且对施工干扰大。人工读取数据导致真实性和精度的稳定性都无法保证，量测数据缺少作为设计变更依据的权威性。且传统的水准仪、全站仪、收敛计等都采用的是单点式数据釆集模式。虽然其监测精度较高，但需在被测处放置特定装置，测量工作量大、成本高、效率低。而且在地形复杂地区测量难度较大，不能确保人员的安全。摄影测量方法获取的是区域的影像数据，数据量虽然大，但其精度较低。相比之下，采用三维激光扫描仪进行数据采集时在被测处不用放置特定的测量装置，实现了点对面的数据采集模式。克服了传统数据釆集方法中速度慢、人力要求高等缺点，具有测量速度快、人力要求低、可靠性强等优点。三维激光扫描技术改变了传统的单点变形观测模式，使传统的点测量向“形测量”转化。并且可以对测量人员不能直接到达的地方进行扫描工作，相对于传统的数据釆集方法具有作业周期快，容易操作，测量覆盖范围广等优点，是快速获取被测体数据更为有效的途径。

三维激光扫描技术相较于一般的隧道变形量测技术优势突出，可直接获取扫描目标物体表面的三维坐标。主要优点实现了无合作目标高精确度测量，数据的自动无线传输并可以点云的方式获得整个观测物的表面空间信息，通过对点云数据的分析可以得到建筑工程的变形情况，其变形分析方法也有很大的改进，将传统的固定单点分析拓展为整体分析。如此能更好地获取建筑工程的变形信息。所以三维激光扫描技术在大型工程的变形监测方面有着非常重要的作用。

一般的基于三维激光扫描的变形量测技术分为两种：与设计值比较、两期点云数据比较进行形变分析。与全站仪测量结果进行比较确定激光点云数据是一种更为有效可靠的形变监测手段。但以上变形分析方法只能体现隧道整体的变形结果，难以反映隧道变形关键控制点的变形历程。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法，实现对大变形隧道变形收敛情况的快速量测与分析。

实现本发明目的技术方案如下：

一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法，包括：

步骤一：通过隧道设计平面图获取隧道中线l'，找到监测断面的对应里程在l'上的对应点p'，过点p'作l'的垂线v'，通过v'的铅垂面即为该监测断面的基准面f；将距离基准面f的距离小于阈值d的点云数据垂直投影至基准面f，获得点云数据在监测断面上的投影；按顺序连接点云数据的投影，获得监测断面的实测断面；

步骤二：通过隧道设计图获得监测断面的标准断面，将实测断面和标准断面通过基点统一到同一坐标系中形成对比图；

步骤三：使用测线法建立标准断面的标准测点与实测断面的实测测点的对应关系；所述测线法包括水平测线法和垂直测线法，具体为：

水平测线法，包括：

在水平收敛测点处设置水平收敛测线，水平收敛测线与标准断面的交点为标准测点，两侧标准测点的连线为标准测线h；从标准测点处引垂直于标准断面的直线与实测断面相交，交点为实测测点，两侧实测测点的连线为实测测线h'；

标准测线与水平测线的长度差值为水平收敛测点处的累积值c，即c＝h'-h；

两期点云数据的累计值c1和c2，其差值为两期点云数据量测时间间隔内隧道水平收敛值hc，即hc＝c1-c2；

水平收敛值hc与两期点云数据测量的时间间隔t的比值为水平收敛速度v，即v＝hc/t；垂直测线法，包括：

在拱顶沉降测点处设置垂直沉降测线，垂直沉降测线与标准断面的交点为标准测点p，其标高为hp；过标准测点p引垂直于标准断面的垂线，与实测断面的交点为实测测点p'，其标高为hp'；

实测测点与标准测点的高差为拱顶沉降测点处的累计值s，即s＝hp'-hp；

两期点云数据的累计值s1和s2，其差值为两期点云数据量测时间间隔内拱顶沉降值v＝s1-

s2。

本发明基于三维激光点云数据，通过提取断面将三维点云数据转换为二维实测断面数据，再通过测线法，建立隧道标准设计断面上任一点与二维实测断面的对应关系。本发明可监控隧道断面上任一关键点的变形发展情况，多期点云数据汇总，即可绘制时程曲线，掌握隧道形变关键控制点(如拱顶、拱脚、边墙等)的变形历程，进而分析隧道整体的变形趋势和变形特点。本发明可用于掌握隧道结构安全状态及预测隧道安全风险。

附图说明

图1是本发明中隧道点云数据投影示意图。

图2是本发明中水平测线法示意图。

图3是本发明中垂直测线法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。

步骤一：通过隧道设计图纸中的隧道平面图获取隧道中线l'的几何信息，隧道中线l'是隧道中轴线在水平面上的投影。通过监测断面的对应里程，找到其在l'上的对应点p'，过点p'作l'的垂线v'，通过v'的铅垂面(过线v'且垂直于大地平面的面)即为该监测断面的基准面，设为面f。对于距离面f的距离小于阈值d的点云，认为其属于该监测断面，将这些点云数据垂直投影至基准面f，即获得点云数据在监测断面上的投影；按规定顺序(一般以逆时针为正方向)连接点云投影，即可获得隧道二维隧道实测断面。具体见图1。

步骤二：通过设计图纸可获得监测断面处的隧道标准断面信息，将实测断面和标准断面通过基点(基点是隧道中线与隧道监测断面在三维空间的交点)统一到同一坐标系中形成对比图。步骤三：使用测线法建立标准断面上控制点与实测断面点的对应关系，监测控制点处点云数据变化情况即可分析隧道结构变形趋势，进而掌握隧道总体形变及安全状态。

测线法分为水平测线法和垂直测线法，分别用于隧道水平收敛和拱顶沉降的量测。具体方法如下：

1.水平测线法，参照图2：

·在水平收敛测点处设置水平收敛测线，测线与标准(设计)断面的交点称为标准测点，两侧标注测点的连线称为标准测线，设为h；

·在标准测点处引垂直于标准断面的垂线与实测断面相交，交点为实测测点，两侧实测测点的连线称为实测测线，设为h'；

·标准测线与水平测线的长度差值即为测点处水平收敛的累积值，设为c，则c＝h'-h；

·两期点云数据的累计值的差值，即为两期点云数据量测时间间隔内隧道水平收敛设为hc，则hc＝c1-c2；

·水平收敛值hc与监测时间t的比值为水平收敛速度，设为v，则v＝hc/t。

2.垂直测线法，参照图3：

·在拱顶沉降测点处设置一条垂直的沉降测线，测线与标准(设计)断面的交点为标准测点，设为p，其标高为hp；

·过标准测点引垂直于标准断面的垂线，与实测断面的交点为实测测点，设为p'，其标高为hp'；

·实测测点与标准测点的高差即为隧道拱顶沉降的累计值s，则s＝hp'-hp；

·连续两次拱顶沉降累计值(s1，s2)的差值即为该监测时段内拱顶沉降值v＝s1-s2。

通过以上方法，即可建立标准断面上控制监测点与实测断面点云数据的对应关系，进而实现对控制点处变形情况的单点、长期监测。