隧道检测方法及系统与流程

1.本发明涉及隧道检测技术领域，尤其涉及一种隧道检测方法及系统。


背景技术：

2.隧道建设过程是在复杂地质体开挖掘进的过程，隧道具有“地质复杂、条件艰苦、工序繁多、连续作业”等特点，对现场组织和管理提出了较高的要求。目前，通过bim(building information modeling，建筑信息模型)技术可以实现隧道工程项目设计和施工过程的可视化，对隧道工程项目中的线路设计、施工过程和运行维护等进行直观的展示。
3.但是，基于bim技术的隧道施工中，经常会出现设计变更以及施工缺陷等问题，导致实际隧道工程与设计bim模型产生偏差。为了能够检查工程施工的质量，通常采用人工抽样的检测方法对隧道工程进行施工进度跟踪和质量检测，对于地形复杂、投资规模大、参与方多、施工难度大且建设目标要求高的大型隧道工程项目，人工抽样采集的数据点有限，使得隧道工程的施工进度跟踪和质量检测的精度较低。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于：提供一种隧道检测方法及系统，旨在解决现有隧道工程的施工过程中采用人工抽样进行施工进度跟踪和质量检测，检测精度较低的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种隧道检测方法，方法包括：
7.利用隧道工程的模拟建筑信息模型进行隧道施工放样，得到已成型隧道；
8.对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道的点云数据；
9.根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果。
10.可选地，根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行隧道质量检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果，包括：
11.根据点云数据，构建已成型隧道的实际建筑信息模型；
12.根据实际建筑信息模型的实际断面数据和模拟建筑信息模型的模拟断面数据，得到超欠挖检测结果和净空检测结果。
13.可选地，根据点云数据，构建已成型隧道的实际建筑信息模型之前，方法还包括：
14.对点云数据进行去噪处理和拼接处理，得到中间点云数据；
15.将中间点云数据转换到地理坐标系统中，得到目标点云数据；
16.根据点云数据，构建已成型隧道的实际建筑信息模型，包括：
17.根据目标点云数据，构建已成型隧道的实际建筑信息模型。
18.可选地，根据实际建筑信息模型的实际断面数据和模拟建筑信息模型的模拟断面数据，得到超欠挖检测结果和净空检测结果之后，方法还包括：
19.根据实际建筑信息模型和模拟建筑信息模型，构建超欠挖色谱模型；
20.根据超欠挖色谱模型，对已成型隧道进行现场放样，对已成型隧道进行超欠挖消除，得到模拟建筑信息模型对应的目标隧道。
21.可选地，根据点云数据，构建已成型隧道的实际建筑信息模型之后，方法还包括：
22.根据实际建筑信息模型的体积，得到已成型隧道的隧道工程量。
23.可选地，对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道的点云数据，包括：
24.根据预设站点位置和预设测站数量，得到扫描路线；
25.根据扫描路线，对已成型隧道进行三维激光扫描，获得点云数据。
26.可选地，利用隧道的模拟建筑信息模型进行隧道施工放样，得到已成型隧道，包括：
27.利用模拟建筑信息模型，提取隧道施工的关键节点坐标和高程值；
28.根据关键节点坐标和高程值进行隧道施工放样，得到已成型隧道。
29.可选地，根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果之后，方法还包括：
30.根据超欠挖检测结果和净空检测结果，生成超限预警提示。
31.第二方面，本发明提供还一种隧道检测系统，系统包括：
32.放样设备，用于利用隧道的模拟建筑信息模型进行隧道施工放样，得到已成型隧道；
33.扫描设备，用于对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道的点云数据；
34.隧道检测设备，与放样设备和扫描设备连接，用于根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果。
35.可选地，隧道检测设备包括：
36.模型构建模块，与放样设备连接，用于构建模拟建筑信息模型，并将模拟建筑信息模型发送到放样设备；
37.数据分析模块，与模型构建模块和扫描设备连接，用于根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果。
38.本发明提供一种隧道检测方法及系统，利用隧道工程的模拟建筑信息模型进行隧道施工放样，得到已成型隧道；对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道的点云数据；根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果。
39.由此，本发明根据模拟建筑信息模型进行隧道施工放样，得到已成型隧道，对已成型隧道进行三维激光扫描得到点云数据，根据模拟建筑信息模型和实际检测到的点云数据，进行隧道工程的超欠挖检测和净空检测；在隧道施工过程中，通过三维激光扫描获得更全面的已成型隧道的点云数据，进行隧道工程的超欠挖检测和净空检测，相较于人工抽样的检测方法，提高了隧道工程的超欠挖检测和净空检测的检测精度，解决了现有隧道工程中采用人工抽样的检测方法进行施工进度跟踪和质量检测，检测精度较低的技术问题；并且，在大型隧道工程项目中，通过三维激光扫描可以更准确和快速的获取施工现场的信息，提高隧道工程的施工进度跟踪和质量检测的可靠性和效率。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
41.图1为本发明隧道检测方法的服务器的结构示意图；
42.图2为本发明隧道检测方法第一实施例的流程示意图；
43.图3为图2中步骤s100的细化流程示意图；
44.图4为图2中步骤s200的细化流程示意图；
45.图5为图2中步骤s300的细化流程示意图；
46.图6为本发明隧道检测系统的架构示意图。
47.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
48.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的装置或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种装置或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的装置或者系统中还存在另外的相同要素。
51.另外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.鉴于现有隧道工程的施工过程中采用人工抽样进行施工进度跟踪和质量检测，检测精度较低的技术问题，本发明提供了一种隧道检测方法，总体思路如下：
53.方法包括：利用隧道工程的模拟建筑信息模型进行隧道施工放样，得到已成型隧道；对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道的点云数据；根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果。
54.本发明提供一种隧道检测方法，在隧道施工过程中，通过三维激光扫描获得更全面的已成型隧道的点云数据，进行隧道工程的超欠挖检测和净空检测，相较于人工抽样的检测方法，提高了隧道工程的超欠挖检测和净空检测的检测精度，解决了现有隧道工程中采用人工抽样的检测方法进行施工进度跟踪和质量检测，检测精度较低的技术问题；并且，
在大型隧道工程项目中，通过三维激光扫描可以更准确和快速的获取施工现场的信息，提高隧道工程的施工进度跟踪和质量检测的可靠性和效率。
55.下面对本发明技术实现中应用到的隧道检测方法及系统进行详细说明：
56.参照图1，图1为本发明隧道检测方法的服务器的结构示意图；如图1所示，该服务器可以包括：处理器1001，例如中央处理器(central processing unit，cpu)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示器、笔记本电脑和个人电脑等类型的电子设备，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(wireless-fidelity，wi-fi)接口)。存储器1005可以为高速的随机存取存储器(random access memory，ram)存储器，也可以为稳定的非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以为独立于前述处理器1001的存储装置。
57.如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及隧道检测程序。
58.在图1所示的服务器中，网络接口1004主要用于与服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户设备进行数据交互；本发隧道检测方法中的处理器1001、存储器1005可以设置在服务器中，隧道检测方法通过处理器1001调用存储器1005中存储的隧道检测程序，并执行本发明实施例提供的隧道检测方法。
59.本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对隧道检测方法的服务器的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
60.下面结合附图和具体实施方式对本发明的隧道检测方法及系统进行详细描述。
61.基于上述隧道检测方法的服务器，参照图2至图5，图2为本发明隧道检测方法第一实施例的流程示意图，图3为图2中步骤s100的细化流程示意图，图4为图2中步骤s200的细化流程示意图，图5为图2中步骤s300的细化流程示意图；本实施例提供一种隧道检测方法，方法包括：
62.步骤s100：利用隧道工程的模拟建筑信息模型进行隧道施工放样，得到已成型隧道；
63.本实施例中，隧道检测方法应用于隧道检测系统，隧道检测系统包括放样设备、扫描设备和隧道检测设备，隧道检测设备包括如图1所示的服务器，该设备可以为包含一独立主机的物理服务器，或者可以为主机集群承载的虚拟服务器；隧道检测设备还包括显示器、鼠标和键盘等人机交互终端，通过网络与服务器连接，网络可以包括多种类型的有线网络或无线网络。
64.实际施工过程中，隧道工程包括公路隧道工程和铁路隧道工程等；工程师可以在隧道检测设备进行模拟建筑信息模型设计，并将模拟建筑信息模型发送到放样设备，通过放样设备在隧道工程的掌子面放样后，进行隧道施工，得到已成型隧道；已成型隧道可以是隧道施工过程中任意时间段的实际隧道工程，通常已成型隧道可以为初期支护阶段和二次衬砌阶段的实际隧道工程。
65.具体的，如图3所示，步骤s100包括：
66.步骤s110：利用模拟建筑信息模型，提取隧道施工的关键节点坐标和高程值；
67.步骤s120：根据关键节点坐标和高程值进行隧道施工放样，得到已成型隧道。
68.本实施例中，隧道施工放样时，工程师可以通过放样设备在模拟建筑信息模型上点选隧道施工的关键节点和提取高程值，并将关键节点和高程值与施工图设计文件中关键节点坐标和高程值进行比对，当模拟建筑信息模型的关键节点坐标和高程值与施工图设计文件中关键节点坐标和高程值相同时，利用模拟建筑信息模型的关键节点坐标和高程值指导隧道施工放样，进行隧道施工，得到已成型隧道。
69.步骤s200：对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道的点云数据；
70.本实施例中，当需要获取已成型隧道的点云数据时，将扫描设备与隧道检测设备连接，建立已成型隧道洞内的平面控制网和高程控制网，在洞内控制点上通过扫描设备对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道实际空间形状的点云数据；可以理解，在隧道施工放样阶段，隧道检测设备与放样设备连接，在点云数据获取阶段，隧道检测设备与扫描设备连接。
71.具体的，如图4所示，步骤s200包括：
72.步骤s210：根据预设站点位置和预设测站数量，得到扫描路线；
73.步骤s220：根据扫描路线，对已成型隧道进行三维激光扫描，获得点云数据。
74.本实施例中，预设站点位置和预设测站数量根据隧道工程的选定工程部位或施工过程中的关键部位确定；通过在已成型隧道中选取合理的站点位置和测站数量，设置合理的扫描路线，可以实现对已成型隧道进行多角度扫描测量，使得获得的点云数据更加完整和精细。
75.步骤s300：根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果。
76.本实施例中，隧道施工过程中，不同阶段的点云数据可以反应不同阶段的已成型隧道的关键节点施工情况；通常，在初期支护阶段，对点云数据与模拟建筑信息模型进行分析，可以分析初期支护阶段的已成型隧道是否出现超欠挖检测情况；在二次衬砌阶段，对点云数据与模拟建筑信息模型进行分析，可以分析二次衬砌阶段的已成型隧道的净空是否与模拟建筑信息模型的净空相同；从而在不同隧道施工阶段，进行隧道质量检测，实现隧道工程的施工进度跟踪和管理。
77.具体的，如图5所示，步骤s300包括：
78.步骤s310：根据点云数据，构建已成型隧道的实际建筑信息模型；
79.步骤s320：根据实际建筑信息模型的实际断面数据和模拟建筑信息模型的模拟断面数据，得到超欠挖检测结果和净空检测结果。
80.本实施例中，扫描设备在不同施工阶段获得点云数据后，将点云数据发送到隧道检测设备，隧道检测设备可以存储点云数据，并根据点云数据进行逆向bim建立，构建实际隧道施工过程中不同施工阶段的已成型隧道的实际建筑信息模型；然后，将不同施工阶段的实际建筑信息模型的实际断面数据和模拟建筑信息模型的模拟断面数据进行对比，判定不同施工阶段的已成型隧道是否出现超欠挖情况，判定实际施工得到的已成型隧道的净空是否满足模拟建筑信息模型的设计要求。
81.具体实现中，通过放样设备利用模拟建筑信息模型，提取隧道施工的关键节点坐标和高程值，在隧道工程的掌子面进行隧道施工放样后，进行隧道施工，得到对应的已成型
隧道；然后，通过扫描设备根据扫描路线对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道的点云数据；最后，通过隧道检测设备根据点云数据构建已成型隧道的实际建筑信息模型，根据实际建筑信息模型的实际断面数据和模拟建筑信息模型的模拟断面数据，分析已成型隧道的超欠挖情况和净空是否满足模拟建筑信息模型的设计要求。
82.本实施例提供一种隧道检测方法，在隧道施工过程中，通过三维激光扫描获得更全面的已成型隧道的点云数据，构建隧道工程的实际建筑信息模块，在不同的隧道施工阶段，分别进行隧道工程的超欠挖检测和净空检测，相较于人工抽样的检测方法，提高了隧道工程的超欠挖检测和净空检测的检测精度，解决了现有隧道工程中采用人工抽样的检测方法进行施工进度跟踪和质量检测，检测精度较低的技术问题；并且，在大型隧道工程项目中，通过三维激光扫描可以更准确和快速的获取施工现场的信息，提高隧道工程的施工进度跟踪和质量检测的可靠性和效率。
83.具体的，作为本实施例的一实施方式，步骤s310之前，方法还包括：
84.对点云数据进行去噪处理和拼接处理，得到中间点云数据；
85.将中间点云数据转换到地理坐标系统中，得到目标点云数据；
86.步骤s310包括：根据目标点云数据，构建已成型隧道的实际建筑信息模型。
87.本实施例中，原始扫描获得的点云数据往往包含大量散列点和孤立点，此时可以通过点云滤波对点云数据进行去噪处理，点云滤波的主要方法包括：双边滤波、高斯滤波、条件滤波、直通滤波、随机采样一致滤波和voxelgrid滤波等。
88.另外，由于已成型隧道大小可能超过了扫描设备的测量范围，并且已成型隧道里的物体之间相互遮挡，使得扫描设备在一个角度不太可能扫描到已成型隧道的完整点云数据；因此，扫描设备在对已成型隧道进行扫描时，往往不能在同一坐标系下将已成型隧道的点云数据一次性测量完成，此时会得到多片点云数据；为了能够组成完整的已成型隧道的点云数据，需要对点云数据进行拼接处理，将多片点云数据旋转平移到统一的坐标系下。
89.可以理解，由于扫描设备是基于设备的设置坐标进行三维激光扫描，所获得的点云数据中的坐标均为设置坐标下的数据，而模拟建筑信息模块通常基于地理坐标系统构建，因此，需要将扫描设备扫描得到的点云数据进行坐标转换，得到点云数据中的坐标在地理坐标系统下对应的坐标，得到目标点云数据，根据目标点云数据构建实际建筑信息模型。
90.本实施例提供一种隧道检测方法，对扫描设备获取的点云数据进行去噪处理，可以去除点云数据中散列点和孤立点对实际建筑信息模型的影响，提高实际建筑信息模型的准确性；并且，本实施例还将点云数据进行坐标转换，使得构建的实际建筑信息模型与模拟建筑信息模型的坐标系统相同，更加有利于隧道质量的分析。
91.具体的，作为本实施例的一实施方式，步骤s320之后，方法还包括：
92.根据超欠挖检测结果和净空检测结果，生成超限预警提示。
93.本实施例中，当已成型隧道出现超欠挖情况或已成型隧道的净空不满足模拟建筑信息模型的设计要求时，隧道检测设备可以生成超限预警提示，提示工程师出现已成型隧道出现超欠挖情况或已成型隧道的净空不满足模拟建筑信息模型的设计要求。
94.本实施例提供一种隧道检测方法，通过生成超限预警提示，可以及时提醒工程师对超欠挖情况和已成型隧道的净空不满足设计要求的情况进行处理。
95.具体的，作为本实施例的一实施方式，步骤s320之后，方法还包括：
96.根据实际建筑信息模型和模拟建筑信息模型，构建超欠挖色谱模型；
97.根据超欠挖色谱模型，对已成型隧道进行现场放样，对已成型隧道进行超欠挖消除，得到模拟建筑信息模型对应的目标隧道。
98.本实施例中，当已成型隧道出现超欠挖情况时，工程师可以根据实际建筑信息模型和模拟建筑信息模型的对比结果，构建超欠挖色谱模型；根据超欠挖色谱模型，对已成型隧道进行现场放样，放样出超欠挖的缺陷部位，实现了超欠挖消除，得到满足模拟建筑信息模型设计要求的目标隧道。
99.具体的，作为本实施例的一实施方式，步骤s310之后，方法还包括：
100.根据实际建筑信息模型的体积，得到已成型隧道的隧道工程量。
101.本实施例中，提取已成型隧道对应的实际建筑信息模型的体积，可以得到已成型隧道的隧道工程量，对已成型隧道进行成本分析，实时进行隧道工程项目的成本管理。
102.本实施例提供一种隧道检测方法，通过实际建筑信息模型，自动获得已成型隧道的隧道工程量，提高了隧道工程量的精度。
103.基于同一发明构思，参照图6，图6为本发明隧道检测系统的架构示意图；本实施例提供一种隧道检测系统，系统包括：
104.放样设备11，用于利用隧道的模拟建筑信息模型进行隧道施工放样，得到已成型隧道；
105.扫描设备13，用于对已成型隧道进行三维激光扫描，获得已成型隧道的点云数据；
106.隧道检测设备15，与放样设备和扫描设备连接，用于根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果。
107.本实施例中，放样设备11包括自动全站仪。扫描设备13包括三维激光扫描设备；其中，三维激光扫描设备可以选择型号为riegl-vz1000的三维激光扫描仪，riegl-vz1000具有以下功能：超长扫描距离，高达1400米；超高速数据采集，采用120线/秒；能够识别多重目标；独一无二多回波数字化和在线实时处理；配置高精度数码相机和安装底盘；集成内置倾角传感器和激光铅锤；内置gps接收机，外置gnss(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)接口；扫描视场角为100
°×
360
°
；角度分辨率为0.0005
°
；重复扫描精度为5毫米。
108.具体的，隧道检测设备15包括：
109.模型构建模块，与放样设备11连接，用于构建模拟建筑信息模型，并将模拟建筑信息模型发送到放样设备；
110.数据分析模块，与模型构建模块和扫描设备13连接，用于根据模拟建筑信息模型和点云数据，对已成型隧道进行超欠挖检测和净空检测，得到已成型隧道的超欠挖检测结果和净空检测结果。
111.本实施例中，隧道检测设备15包括3dexperience平台，在平台中可以直接由模型构建模块切换到数据分析模块，当模型构建模块中的模型参数变化时数据分析模块中的计算模型联动。
112.本实施例提供一种隧道检测系统，通过三维建筑信息模型结合三维激光扫描，可视化获取任意隧道工程的断面数据，对隧道工程净空和超欠挖情况进行检测，相较于人工
抽样的检测方法，提高了隧道工程的超欠挖检测和净空检测的检测精度；并且，借助建筑信息模型完成隧道施工过程的关键工序、施工方案及专项技术等三维可视化技术交底，降低了施工作业人员理解图纸的难度，有效避免了施工作业人员因对图纸理解不清产生的施工错误，提高了技术交底的效率及效果，保证了施工质量。
113.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，上述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
114.通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用cpu、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以为多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘、u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以为个人计算机，管控设备，或者服务器等)执行本发明各个实施例的方法。
115.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。