基于三维点云数据在隧道变形监测中的应用
三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用

0 引言隧道变形监测作为地铁隧道安全工作中的重要环节,对于监测数据的及时、高效和准确有了越来越高的要求。
三维激光扫描技术是一种以激光测距方式快速获取大量测点三维坐标的测量技术,能够克服传统测量技术的局限性,获取更加全面的隧道变形信息[1],并可在隧道照明条件下正常工作。
该技术数据采集效率高,完成每个测站的数据采集仅用时约5 min,较好地满足了运营地铁隧道一般只能在夜间较短时间内作业的要求。
多站点云数据拼接方法作为点云数据预处理步骤之一,对后续点云数据的分析和解释起到重要作用。
该方法主要分为手动匹配和软件匹配2种:手动匹配基于特征点混合拼接法,而自动匹配基于贴附标靶。
目前,应用较广泛的是Iterative Close Point(ICP)算法,是基于点信息的点云拼接算法之一,该算法由Besl等[2]和Chen [3]提出,通过最小二乘算法的最优匹配方法,对点云数据进行多次重复配准,确定数据中对应关系点集并计算最优刚体转换和平移参数,迭代计算直至满足某个设定的误差收敛,经国内外许多学者的研究和改进,已成为3D点云匹配中的最经典的算法之一。
在已有理论基础上,通过对深圳市轨道交通2号线某隧道自动化监测红色报警区域进行三维激光扫描,得到该区域的6站点云数据,经ICP算法配准,得到6个测站的整体拼接数据,根据拼接后的数据计算各环片椭圆度变形值,与自动化监测数据对比,达到复核及补充监测的效果。
1 项目概况以深圳市轨道交通2号线长约130 m的隧道监测区域为研究对象,该区域位于市中心繁忙主干道下方,地上高层建筑物林立,易发生隧道变形。
经隧道收敛监测发现,部分区间的道床沉降、水平位移、横向收敛变化量均较大;隧道现状调查发现,区间段部分隧道管片环纵第一作者:孙泽会(1991—),男,工程师。
E-mail :***************三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用孙泽会1,曾奇1,刘德厚2,陈鸿1,余海忠1(1. 深圳市市政设计研究院有限公司,广东 深圳 518029;2. Woodside Priory School,Portola Valley CA USA 94028)摘 要:随着测量技术的快速发展,三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中的应用日益广泛。
三维激光扫描技术在地铁隧道形变检测中的应用

三维激光扫描技术在地铁隧道形变检测中的应用摘要:地铁建设或运营过程中,地面、周边建筑物负载及土体扰动、隧道周边工程施工等因素会对隧道产生综合影响从而造成隧道结构变形。
地铁隧道正上方堆放大量渣土导致还未运营的线路结构产生严重形变,全站仪测量方式很难准确测绘出形变大小。
合理应用三维激光扫描技术,应对可以对隧道受损区域的检测和修复工作。
关键词:三维激光扫描技术;地铁隧道工程;形变检测1 引言三维激光扫描技术的优势在于以激光为介质,可以实现无接触测量,通过计算激光的反射时间确定距离,并且通过多点测量可以获取多个点位数据信息,进而构建三维模型,这对于地铁隧道形变检测工程施工活动的开展具有重要的参考价值,可以有效确保施工活动顺利进行。
2三维激光扫描技术三维激光扫描技术具有非接触性、快速性、高密度、实时性强等特点,在体积计算中具有显著优势。
三维激光扫描技术又叫实景复制技术,它可以通过极高速的激光扫描快速获取大量高精度的空间三维坐标,然后快速利用这些点云数据实现物体模型的建立。
三维激光扫描技术具有寻常测量技术难以企及的优势,如高精度、全自动、非接触性、高密度、数字化、实时动态等特点。
因此,它又被称为继全球定位系统技术后测绘领域的又一次技术革命。
三维激光扫描技术的优势主要表现在以下几方面:①测量作业效率高,测量速度在0.5m/s以上,在大型工程以及工期任务较紧的项目中采用三维激光扫描技术可以取得良好效果;②测量点的密度大,每个断面采样点超过500个,获取的数据信息更加全面,适用于测量环境较为复杂或者作业面较大的工程项目;③可以自主设置断面测量的间隔,适用性更强;④获取的测量成果多且全面,可以得到任意间隔多断面图,隧道表面可以量测激光影像;⑤测量成果的用途较广,在线路侵界、管片错台、裂缝、管环收敛以及隧道渗水等方面都具有参考价值;⑥不需要接触测量目标,可以实现无损检测,对测量目标不会产生负面影响,尤其是在一些具有危险性的作业环境中,可以最大限度降低作业人员的风险;⑦仪器架设的自由度比较高,相较于全站仪等传统设备来说,不需要进行对中操作,这意味着也就不会产生对中误差,并且架设地点可以灵活选择,环境影响因素较小。
三维激光扫描技术在隧道工程中的应用分析

三维激光扫描技术在隧道工程中的应用分析摘要:随着科学技术的发展,我国的三维激光扫描技术有了很大进展,并在隧道工程中得到了广泛的应用。
三维激光扫描能够对扫描场景进行高精度还原,三维激光扫描的点云含有位置和属性信息,基于多源传感器获取的地铁隧道点云数据,对其进行深度分析挖掘,可以获取更多有用信息。
本文首先分析激光扫描技术的概念,其次探讨作业流程及数据处理,最后就三维激光扫描技术在隧道工程中的应用进行研究,以供相关工程进行参考。
关键词:三维激光扫描;隧道工程;应用引言三维激光扫描技术的出现使准确、高效获取空间三维信息提供了可能,它能够通过高速旋转的激光头单位时间内发射数十万甚至数百万激光点,进而真实还原三维空间形态,通过对点云信息的深度挖掘,可以准确识别隧道的裂缝、渗漏水及管片错台等病害信息。
移动轨道扫描系统集成了高精度三维扫描仪、高精度激光惯导、GNSS/ INS 组合定位定姿装置、线结构激光测量传感器、控制与存储模块及高清全景相机等多种传感器于一体;借助小车可以在轨道上匀速前进,从而准确获取隧道空间无死角全息点云数据,通过专业后处理软件处理,可准确提取隧道结构中心线、轨面线、断面结构等三维空间状态信息;通过一定的数学运算,可进行隧道结构收敛、椭圆度、旋转、错台等物理变形分析;根据点云反射率信息,借助人工智能算法,可自动或半自动识别隧道裂缝、渗漏水等病害信息并进行标注,从而建立地下隧道的病害数据库,共后期决策部署使用,为线路运营安全预防及调度提供基础数据保障。
1激光扫描技术激光扫描技术作为一种非接触式的主动测量技术,可在天气条件不理想的情况下进行作业。
该技术通过搭载在不同平台上的激光扫描仪通过面状扫描获取目标地物表面的三维坐标信息,以较高数据采集效率获取海量的激光点云数据,通过高密度点云数据建立三角网,生成地物的数字表面模型,同时利用激光扫描仪搭载的相机拍摄影像为点云数据赋色,使得点云数据三维可视化效果更接近于真实场景。
三维激光扫描技术在传统地铁隧道变形监测中的应用

三维激光扫描技术在传统地铁隧道变形监测中的应用随着城市的发展,地铁隧道这一方便城市交通的工程得到了越来越多的注意,同时作为一种地下工程,地铁隧道的安全性也是使用过程中必须注意的,因此必须有相应的监测方法对地铁隧道展开变形监测。
地铁隧道变形监测对保障地铁设施的安全至关重要,而传统的监测方法在应用中起到的作用非常有限,只能够对间隔了一定距离的一部分断面的数据进行分析。
而三维激光扫描技术就是近年来得到广泛使用的监测技术的一种。
这种监测技术的通途广泛,已经大范围的应用于城市的地面模型建立和三维数据模型建立,应用于地铁隧道中时,可以有效的对地铁隧道的变形程度进行监测。
1 地铁隧道变形概念和三维激光扫描技术地铁隧道变形是指在地铁的运营过程中,地铁的隧道受到外力影响如周边的工程施工或者地铁隧道内部的工程施工以及地铁列车的运行造成的振动进而造成的隧道变形。
而三维激光扫描技术则是在1995年左右出现的一种技术,这种技术是GPS后又一项新型的测绘技术,这种测绘技术通过高速的激光对扫描对象的数据进行快速的收集、统计、分析,因为激光的效率高,计算的速度快,因此可以快速的采集大量的空间点位信息,可以快速的建立物体的三维影像模型。
因为其快速、不接触、实时动态监测和高精度的特点,在各个工程中均有着一定的应用。
而三维激光扫描技术通常由扫描仪、支架、电源、计算机以及一些配件组成。
而三维激光扫描仪就是其中最为重要的一部分,是一切的前提和基础,三维激光扫描仪由激光发射器和激光接收器、计时器、可以旋转的滤光镜、控制电路板、和微电脑等组成,因为高效的测量技术,因此其重要性往往可与GPS这门空间定位技术相提并论,不同于传统的单点测量,三维激光扫描技术具有数据收集快数据精度高和数据处理快的优点,通过对地铁隧道管壁的三维点云数据扫描,最终得到一个具有高度分辨率的地铁隧道模型。
2 三维激光扫描技术在传统地铁隧道变形监测中的应用2.1 对数据的收集通过对导线和水准测量方案的设计,然后使用激光扫描仪对需要测量的地铁隧道进行扫描,主要扫描站间距和扫描点密度并且保证扫描的重叠度合格。
三维激光扫描技术在变形监测中的应用 李栋梁

三维激光扫描技术在变形监测中的应用李栋梁摘要:变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形形态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。
变形监测的任务就是确定在各种荷载和外力作用下,变形体的形状、大小、及位置变化的空间状态和时间特征。
关键词:三维激光扫描技术;变形监测;随着激光扫描硬件设备的升级优化,三维激光扫描仪与其他设备更加易于集成,数据采集简单迅速,可实时处理点云数据,快速构建三维模型。
与传统变形监测方法相比,将三维模型用于变形监测更加全面,自动化、智能化强度高,实时性好,且精度高。
一、三维激光扫描技术在变形监测中存在的问题虽然三维激光扫描技术在变形观测中的应用越来越广泛,理论研究越来越成熟,然而仍有很多存在的问题限制了它在变形观测领域的发展,主要有:(1)现有的变形监测一般是基于监测点的变形观测,这不完全适合基于三维激光扫描技术的变形监测,所以无监测点的变形监测方法有待探究。
(2)与三维激光扫描技术相关的精度评定和误差理论等必须进一步完善,如扫描过程中的遮挡问题,如果处理的不好将会大大影响变形观测的质量。
(3)模型求差法中的变形量可以通过不同时段的两个三维模型进行整体对比来获得,这样就必然会涉及到模型匹配的问题。
匹配的精度对变形量的获取精度有着直接的影响。
(4)目前为止,在变形监测的数据精度和模型精度上还没有一个统一的精度评价体系。
二、三维激光扫描技术在变形监测中的优点1.三维激光扫描仪的单点定位精度一般能达到亚厘米级,甚至其模型精度还要远高于这个精度。
目前,针对三维激光扫描技术能否应用于变形监测中这一问题,很多研究人员都做了大量的试验,试验结果证明三维激光扫描仪完全可以代替传统测量方式来进行变形观测测量。
2.与基于传统测量或GPS的变形监测技术相比,三维激光扫描仪能高效率、高精度地采集到目标表面的点云数据,有效地避免传统变形监测技术中,采用设置监测点方法(即以点代面的分析方法)所带有的局部性和片面性。
三维激光扫描技术在隧洞检测中的应用

三维激光扫描技术在隧洞检测中的应用摘要:三维激光扫描是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命。
它集实时性、主动性和适应性好的特点于一身。
且无需和被检测对象直接接触,可以在很多复杂环境下应用。
本文以某水电站导流涵洞实际工程为例,详述了三维激光扫描技术在隧洞工程检测、数字建模方面巨大的应用潜力。
关键词:三维激光扫描;测绘;工程检测;1 概述隧道工程是我国铁路、公路的重要连接项目,项目的施工方法较多的采用了新奥法,新奥法最主要的特点是,可通过动态监测的方式,对地质条件中隧道围岩进行勘察监测,以获得精准勘察数据,做为隧道工程的支护结构设计和施工[1]。
新奥法隧道施工中,隧道监控量测工作的质量与结果,对隧道施工的安全与进度,具有重要的指导作用。
为了提升数据的准确性,真实的反映隧道围岩的地质结构,确保测量结果不出现偏差,克服现有监控量测工作缺陷,在测量上应用三维激光扫描仪,做为辅助检测设备,对隧道洞内加以监测,其可提高监控量测工作的速度与准确度,节省人力物力,有效促进隧道工程的施工建设。
2 三维激光扫描仪测量原理三维激光扫描仪测量技术是我国目前较为先进的全自动高精度立体扫描监测技术,也是新型“实景复制技术”,其主要工作原理是应用空间定位系统,对目标进行测绘,获得数据的方法,这是继GPS技术的又一项新突破。
三维激光扫描技术,以三维激光扫描获得的原始数据为点云数据,通过获取大量的点云数据,进行散点结合后形成测量结果。
这种测量方式的适时性、主动性与适应性好[2]。
应用三维激光扫描仪,通过高速精确的激光测距仪,引导激光并能够通过均匀角速度扫描的反射棱镜,通过激光测距仪主动发射激光并接受测量物体表层反射信号,每一个扫描点均能够获得一个扫描点的斜距,通过水平与垂直方向角,获得空间坐标,最后求出扫描点的三维坐标点[3]。
三维激光扫描仪主要是通过激光脉冲信号的发射,接触物体(目标点P)后并反转回接收器,获得目标与扫描仪之间的距离(S)以后,扫描仪内部控制编码器同步对每个激光脉冲横向扫描,角度横向观测值设为α,则纵向扫描角度观测值设为β。
点云数据处理方法在建筑变形监测与结构安全评估中的应用分析

点云数据处理方法在建筑变形监测与结构安全评估中的应用分析建筑变形监测与结构安全评估一直是建筑工程领域中的重要议题之一。
传统的监测方法通常需要借助昂贵的仪器设备和大量的人力物力,而且监测结果的准确性和可靠性受到很大的限制。
然而,随着点云数据处理方法的发展和应用,更加高效和精确的建筑变形监测与结构安全评估方法逐渐浮出水面。
点云数据处理方法是一种将三维激光扫描技术和计算机视觉技术相结合的新兴技术。
通过使用激光扫描仪将建筑物表面的点云数据进行采集和处理,可以得到建筑物的三维模型,从而实现对建筑物的变形监测与结构安全评估。
首先,点云数据处理方法可以实现高精度的变形监测。
传统的监测方法往往只能获取到有限的监测点数据,而且监测频率有限。
而点云数据处理方法可以通过激光扫描仪精确地获取建筑物的整体形貌,能够获得大量的点云数据。
这些点云数据可以通过计算机视觉技术进行处理,实现对建筑物各个部位的变形监测。
通过对比不同时间段的点云数据,可以准确地判断出建筑物的变形情况,并及早采取相应的安全措施。
其次,点云数据处理方法可以实现全方位的结构安全评估。
传统的结构安全评估方法通常只能通过人工检查和有限的监测数据判断建筑物的安全状况。
而点云数据处理方法可以获取到建筑物的全方位信息,包括建筑物的表面形貌、几何结构等,可以实现对建筑物各个方面的全面评估。
通过对点云数据的分析,可以发现建筑物可能存在的结构问题,如裂缝、沉降等。
同时,通过对点云数据的量化分析,可以得到建筑物的结构参数,并与设计参数进行对比,评估建筑物的结构安全性。
此外,点云数据处理方法还可以实现建筑物的后期变形监测与安全评估。
在一个建筑物竣工后的运营阶段,建筑物的变形和结构安全问题可能会逐渐显现。
传统的监测方法通常只能获得分散的监测数据,无法全面地了解建筑物的变形情况。
而点云数据处理方法可以周期性地对建筑物进行激光扫描,获取建筑物的点云数据。
通过对比不同时间段的点云数据,可以实时监测建筑物的变形情况,并进行结构安全评估。
近景摄影测量技术与三维激光扫描技术在隧道变形监测中的应用研究

1、在隧道施工前,利用近景摄影测量技术和三维激光扫描技术对隧道周围 的围岩和衬砌进行初始数据采集和建模。
2、在隧道施工过程中,利用这两种技术对围岩和衬砌进行定期监测,获取 变形数据,通过数据分析软件进行处理和预测,得出变形趋势和预警值。
3、根据预警值和预测结果,及时采取防治措施,保障隧道施工安全和质量。
近景摄影测量技术与三维激光 扫描技术在隧道变形监测中的
应用研究
01 引言
目录
02 近景摄影测量技术
03 三维激光扫描技言
隧道变形监测在铁路、公路、水利等工程建设中具有重要意义。隧道施工过 程中的围岩变形、衬砌变形等都需要进行实时监测,以保障工程安全和质量。目 前,隧道变形监测中主要采用传统的手工测量方法,如全站仪、水准仪等,但这 些方法具有效率低、精度差、劳动强度大等缺点。因此,研究新的监测技术手段 成为行业迫切需求。
1、高精度测量:三维激光扫描技术的测量精度较高,能够获取隧道表面高 精度的点云数据,对隧道变形的监测更为准确。
2、高效扫描:三维激光扫描技术扫描速度快,能够在短时间内获取大量点 云数据,提高了监测效率。
3、实时动态监测:三维激光扫描技术可以通过搭载不同的传感器和数据处 理软件,实现实时动态监测,对隧道变形进行实时反馈和控制。
结论
近景摄影测量技术和三维激光扫描技术在隧道变形监测中都具有各自的应用 优势和不足。近景摄影测量技术具有非接触、高效率、高精度和可视化能力强等 优点,但同时也存在对相机硬件和拍摄环境要求较高的问题。三维激光扫描技术 具有高精度测量、高效扫描、实时动态监测和自动化程度高等优点,但同时也存 在设备成本较高和对扫描环境要求较严格等不足。
近景摄影测量技术和三维激光扫描技术为隧道变形监测提供了新的解决方案。 本次演示将介绍这两种技术在隧道变形监测中的应用研究。
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一 l 5 2 7 4 6
—1 6 2 7 4 8
差值( △ f 4 # 1
l 8 O。
一 3 0 O
2 7 3 2 一 1 8 0 2 7 4 7 8
— 1 2 + 1 8
2 7 4 0 一 l O + 8 2 7 5 6 8
南昌
3 3 0 0 1 3 )
要: 本 文通 过 地 面 三 维 激 光 扫描 仪 对 隧道 进 行 实地 扫描 , 并 运 用 断 面截 取 的 方 法 获取 隧道 数 据 , 从 而对隧道的断面 , 以及 整
体变形进行监测。最终结果表 明三维激光扫描技 术可以满足 隧道 变形监测的要 求, 具有很好 的应 用前景。
2 0 1 4 . N 0. O 3
工 业 工程 与技 术
J o u r n al o f He n a n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y
基于三维点云数据在隧道变形监测中的应用
周正望
( 东华理 工大学
摘பைடு நூலகம்
测绘工程学院 , 江西
一 一
图 3 隧道 断 面 图 4 断面 各 监 测 点 数据 获取
表 1 隧道 K 0 + I 1 5处 断 面 信 息 表
测 量时间 测量点 数据 实测 数据 r
0。
一期
二期
期
四期
五期
( 2 0l 3 . 3 1 ) ( 2 0l 3 . 3 8 1 f 2 0 1 3 3 1 5 1 2 7 7 6 + 2 6 2 7 8 2 + 3 2 2 7 8 7 + 3 7
f 2 0l 3 . 3 2 2 1 ( 2 0 1 3 . 3 3 0 ) 2 7 8 8 + 3 8 2 7 8 9 + 3 9
本 次数据 采集所使 用 的仪 器是美 国的 F o c u s 3 D激光 扫描 仪, 对 孙家墩磷 矿“ 8 8 9主斜 坡道 ” K 0 + I 1 0至 K 0 + 1 3 5这 段破碎 带区域进行扫描 . 在 隧道 内每间隔 2 . 5米设置 固定标靶点 , 并把
关键词 : 三 维激 光 扫 描 技 术 ; 点 云; 变形 监 测 ; 隧道
中图分类号: U 4 5 6 文献标识码: A 文章编号 : 1 0 0 3 — 5 1 6 8 ( 2 0 1 4 ) 0 5 — 0 0 3 1 — 0 2
1 引言 2 所示 。
近年来 . 地面三维 激光扫描技 术作为一 种新 型 、 高 效 的数 据获取手段 , 正在快 速向前发 展 , 其 中在文物保护 , 山体滑坡 , 泥 石流 . 地形可视化 等方面运用 已经相当广泛 。l 1 _ 由于该技术在很 多方 面相对于传统测量仪器具有 明显 的优势 ,在 隧道变形监测 方面 . 也逐步引起 了很多学者的注意 , 并开始 了大量 的研究与实
- 4 + 2 6
2 7 41 - 9 + 9 2 7 6 0
- 2 + 2 8
2 7 4 2 一l l +l 0 2 7 6 0 2
- 2 + 2 8
2 7 4 2 一 1 0
与 第一期 的差值
实测 数据 r 差值f △n 与第一 期的差值 断面 平均值
2 7 6 0 4
备注 : 以上单位均为 毫米 ( m r | 1 ) ; A r - = 实钡 4 数据 卜 隧 道半径设计 值 R ( 此处 R = 2 7 5 0 )
表 2 隧道 K 0 + I 1 0至 K 0 + 1 3 5区段断面各期数据统计表
隧道断面 号
以及 成果 分析 。
3 点 云 数 据 的 处理
差值f △n f 2 # 1
90。
+ 5 3 O
+ 7 7 + 2 4
+ 8 3 + 3 0
+ 8 4 + 3 l
+ 8 4 + 3 1
与第一 期的差值
实测数据r
差值f △ f 3 # 1 与第一期 的差值 实测 数据 r
13 5。
2 7 0 8
— 4 2 0 2 7 2 0
2 6 9 7
- 5 3 一l 1 2 7 3 8
2 6 9 3
2 6 9 2
- 5 8
2 6 9 】
- 5 9 l 7 2 7 4 8
3 . 1 点云数据 的去噪与抽稀 去噪主要是对 隧道壁 以外的干扰点 云 , 例如 电线 , 照 明设 施, 施工工具 , 标识牌等影 响隧道 真实形状 的点 云进行剔 除。去 噪后 的 2 D效果 图如 图 1 所示 。 去噪后 的数据需要进一步进行数 据抽稀工作 . 是按照一定的 比例对海量点云数据进行简化 . 便 于 计算 机进行后期数据的处理 , 处理完的效果如 图 2 所示 。
2# 3# 4# 5# 7# 8 # 9# l 0 #
测 量时间
一
期
2 7 6 2 2 7 5 8 2 7 4 7 2 7 6 o 2 7 3 5 2 7 6 8 2 7 5 6 2 7 4 6 2 7 41 2 7 5 2 2 7 5 8
验。该技术在地铁 , 公路 , 铁路等隧道 中也逐渐得 以运用 。[ ≈ 本文
以矿 山主巷道 中存在断层 , 稳 定性 极差 的区段为研究对象 , 以地 面三维激光扫描技术作为数据 的获取手段 ,最终通过数据分析 来检验该方法是否能够达到对 隧道变形情况的监测要求 。
2 点 云 数 据 的获 取
差值( △订
( 1 # )
45。
与第一期 的差值
实测 数据 r
0
2 8 0 3
十 6
2 8 2 7
+ 1 1
2 8 3 3
+ 1 2
2 8 3 4
+ 1 3
2 8 3 4
这些标靶点 的位置作为长期观测点 , 便于后期多次数据的采集 ,