三维激光扫描技术及在隧道监测中的应用
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。
新兴信息技术手段在隧道工程施工中的应用
新兴信息技术手段在隧道工程施工中的应用隧道工程是一项极具挑战性的工程，需要精密的计划、方案和准备工作，以确保施工过程中的安全和高效性。
近年来，新兴信息技术手段的广泛应用给隧道工程带来了许多新的机会和挑战。
本文将探讨一些新兴信息技术手段在隧道工程施工中的应用。
1. 激光扫描技术激光扫描技术是一种高精度的测量和数据采集方法，通过激光信号扫描目标物体，获取其精准的三维坐标数据。
在隧道工程中，激光扫描技术可以用于以下方面：（1）隧道的测绘：利用激光扫描技术，可以快速准确地获取隧道周围的地形和地貌信息，帮助制定更加精确的隧道工程设计方案。
（2）隧道结构安全监测：激光扫描技术可以定期对隧道结构进行监测，及时发现隧道结构的变形和损坏情况，以便及时采取维护和修复措施。
（3）隧道施工过程监测：利用激光扫描技术，可以对隧道开挖、支护等施工过程进行实时监测，及时发现施工中的问题和风险，保证施工过程的安全和高效性。
2. 联合导航技术联合导航技术是一种将多种导航系统集成在一起形成的导航系统，可以提供更加准确和可靠的定位和导航服务。
在隧道工程中，联合导航技术可以用于以下方面：（1）隧道开挖定位：联合导航技术可以利用多种导航系统，准确地定位隧道开挖的位置和方向，为隧道工程的进一步施工提供准确的基础数据。
（3）隧道温度和湿度监测：利用联合导航技术可以实时监测隧道内温度和湿度的变化，并及时提醒和采取温湿度调节措施，保证施工过程的安全和高效性。
3. 人工智能技术人工智能技术是近年来兴起的一种新興技术，能够模拟人类的智能思维和认知能力进行自主决策和学习。
在隧道工程中，人工智能技术可以用于以下方面：（1）隧道施工风险预测：利用人工智能技术，可以对隧道施工过程中的风险进行预测和预警，帮助制定更加科学和可靠的风险管理策略。
（2）隧道掘进机智能优化：利用人工智能技术，可以对隧道掘进机进行智能优化，提高其自主决策和执行能力，从而提高施工的效率和安全性。
法如三维激光扫描仪应用--TunnelScan达成线隧道应用总结报告
TunnelScan达成线隧道应用总结报告1工程概况达成线共检测13座隧道(凉富湾隧道、苟家沟隧道、染家湾隧道、寨子山隧道、陈家湾隧道、新染坊湾隧道、新张家湾隧道、王家湾隧道、新贾家沟隧道、新学籍沟隧道、新碾子沟隧道、铁山和张家山)，为了了解隧道健康技术状态和为整治方案提供依据，采用TunnelSan技术对隧道建筑限界、衬砌表面渗水及裂缝进行检测，并探索出了新的应用。
2 检测依据《铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10417-2003）。
3检测方案3.1 三维激光扫描仪检测1）检测方法和仪器用大空间相位式三维激光扫描仪（型号Focus 3D 120）进行隧道几何技术尺寸、断面尺寸及变形量测定。
2）特点该仪器可在隧道无光照条件下以每3分钟20米的外业速度、976000点/秒的精度、每测站仅需2~5分钟的高效率、毫米级点间距的格网“实景复制”隧道内表面，通过TMS TunnelScan软件以每站小于20分钟的速度自动化处理大批量三维点云测量数据，并提供精确的定量分析报告。
一次作业即可全面检测断面收敛、净空分析、中心轴线坐标、平整度、隧道异状等隧道工程检测项目。
通过TMS Tunnelscan软件可以快速高效自动化的处理三维点云数据（如图4.5所示），自动处理生成正射激光雷达影像（如图4.6所示）。
图3.1 激光雷达三维点云数据图3.2 激光雷达影像展开图3）检测过程①将三维激光扫描仪架设在准备工作的隧道中线上做为测站1，将2个参考球A、B（如图4.7所示）沿隧道纵向放在仪器外10m距离，参考球A、B的摆放要能够良好识别并有一定高度差。
图3.3 测站1扫描示意图②开机扫描测量，当三维扫描仪自动扫描360度后，会保存三维点云数据，并在显示屏上显示出隧道云图。
③测站1扫描完成后将三维激光扫描仪沿隧道轴线向前搬动20m距离，在隧道中线上架设为测站2，参考球A、B保持原位不动，将参考球C、D沿隧道纵向放在仪器前方10m距离（如图4.8所示），参考球C、D的摆放要能够良好识别并有一定高度差。
《Z+F三维激光扫描仪在隧道施工中的应用》培训讲稿
背景
预计2020年上海地铁网路总规 模可达877公里。
背景
早期监测方式
1.设备：收敛计、全站仪、水准仪 2.原理：测定监测点坐标，计算水平收敛 3.方法：布点，测量，数据对比，图表分析 4.精度： 1mm至10mm不等
背景
存在的问题
1.只能单点测量，需要采集大量数据； 2.需要严格对中整平，误差风险增大； 3.需要多测回才能提高精度，效率不高； 4.免棱镜测量精度较低。
断面图、精度报告
隧道工程
• 数据后处理采用第三方软件3D Resharper，此软件是一款专门处理 3D点云数据的软件。软件解决方案 覆盖了所有的点云、3D网格、曲面 重建、监测、检测及逆向工程等方 面。在隧道方面的应用可根据隧道 的扫描数据自动拟合出地铁隧道的 中轴线。
隧道工程
• 横断面数据可清晰反映各个区域的变形 量，方便分析和评估变形带来的安全隐 患。同时对于施工工程，也可以反映出 欠开挖和超开挖情况，更好地指挥现场 施工。隧道的断面数据同时可以生成专 属的报告，以数字形式表现，同时也可 以用图表反映出隧道的形变量值。
第一台三维扫描仪
Scene Modeller
LSR Kamera
第一台静态扫描仪
产品体系
5006EX
9012
5006h
5010
旗舰版 5010C
产品特点
高效
扫描速率：101万点/秒（Max） 快速热启动
产品特点
精准
分辨率：0.1毫米 精度：0.3毫米（10米，80%）
产品特点
安全
激光等级：1级安全激光
1.基于点云提取中心线 心线。
2.通过点云自动构建网格，提取中
隧道成果
隧道施工过程中，严重的超欠挖将影响隧道的施工成本和其长期安全稳定。因此对超欠挖的 控制对隧道施工同样意义重大，3DReshaper可将隧道的三维数据快速构建mesh网格，用生 成的网格与设计数据进行比对，获得实际施工超欠挖体积与设计体积的偏差，获得的数据可 以作为施工检测的依据或依照检测数据调整施工方案节省施工成本。
如何利用激光扫描技术进行隧道测量与监测
如何利用激光扫描技术进行隧道测量与监测隧道作为现代城市交通和工程建设的重要组成部分，其安全性和稳定性对于人们的生命财产安全至关重要。
隧道工程建设和维护中，如何有效利用新兴的激光扫描技术进行测量与监测，成为了一个备受关注的问题。
本文将探讨如何利用激光扫描技术进行隧道测量与监测，并分析其优势和应用前景。
首先，我们来了解一下激光扫描技术的基本原理。
激光扫描技术是一种利用激光束探测目标物体表面特征的高精度测量技术。
它利用激光束在空间中进行扫描，通过接收器接收激光反射回来的信号，再根据信号的时间差和反射光的强度等参数进行数据处理和分析。
激光扫描技术具有非接触、高速、高精度等特点，非常适合用于隧道测量与监测。
隧道测量是指在隧道建设过程中对隧道地质、结构和施工质量等进行测量的工作。
传统的隧道测量方法通常采用传感器和测量仪器进行点对点测量，工作效率低且不够精准。
而利用激光扫描技术进行隧道测量，可以实现全面、连续的三维测量数据采集，极大地提高了测量效率和精度。
激光扫描技术可以快速获取大量隧道内部的点云数据，通过对点云数据的处理和分析，可以生成准确的隧道CAD模型，为隧道建设和施工提供重要的参考依据。
另外，激光扫描技术在隧道监测中也具有重要应用价值。
隧道监测是指对隧道的运行状态和变形情况进行实时监测和分析，在隧道出现安全隐患的情况下及时发现并采取相应的措施。
传统的隧道监测方法通常采用测量仪器进行周期性测量，无法实时获取隧道变形和位移情况。
而利用激光扫描技术进行隧道监测，可以实现实时、无损的三维测量数据采集。
通过对隧道不同区域的激光扫描数据进行对比分析，可以及时发现隧道的变形和位移情况，提前采取相应的维护和修复措施，确保隧道的稳定性和安全性。
此外，激光扫描技术还可以与其他技术相结合，实现更多领域的应用。
例如，通过将激光扫描与地下水位监测技术结合，可以实现对隧道周围地下水位的实时监测。
通过将激光扫描与地质雷达技术结合，可以实现对隧道周围岩层稳定性的快速评估。
三维激光扫描技术在隧道工程领域的应用综述
三维激光扫描技术在隧道工程领域的应用综述摘要：近年来，随着一大批铁路及地铁陆续开通，运营铁路、地铁、公路隧道巡检市场处于蓬勃发展时期，市场急剧增大，目前依托人工在天窗期进行巡检的方式难以适应市场对高效巡检的要求，如何创新隧道巡检方法，实现高效、准确对运营隧道巡检成为亟待研究解决的问题。
近年来，三维激光扫描测量技术因其在空间信息获取方面具有非接触测量、高精度、高分辨率、信息丰富等诸多优势而崭露头角。
本文研究了三维激光扫描技术在国内外的发展里程，给出了存在问题分析和进一步研究的建议。
关键字：三维激光扫描，隧道巡检，非接触测量1前言三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，它通过激光扫描测量方法快速获取被测对象表面的三维坐标数据及其他关键信息。
并集成惯性导航单元（IMU）、DMI组合定位定姿系统、3D激光扫描仪、多传感器同步控制单元、嵌入式计算机、电源供电系统等设备，组建轨道交通测量平台，在同步控制单元的协调下使各个传感器之间实现时空同步，快速采集轨道交通隧道的全断面时空数据。
三维激光扫描技术是一种以激光测距方式快速获取被测物体表面三维坐标及激光反射强度的测量技术，具有非接触测量、高精度、高分辨率、信息丰富等特点。
该技术所采集的高密度点云数据可直观反映物体的集合尺寸、物体表面结构的空间位置关系以及激光反射强度信息，通过CCD传感器还可以获取物体表面的色彩信息，这就为综合性检测提供了可能。
该技术不受光线条件限制，已广泛应用于工程测量、地形测绘、文物修复、逆向三维重建等领域。
2三维激光扫描技术在隧道工程领域的国外发展现状C Mair等成功地将数字摄影技术引入到隧道变形监测领域，检测系统可实现1:20的隧道断面成像后来随着激光扫描技术的快速发展。
2002年，瑞士AMBERG公司生产了GRP 3000轨道检测系统，用于轨道几何尺寸测量和限界评估，实现了快捷的轨道交通检测。
同年，Geraldine S.Cheok等从入射角、目标物颜色和测量距离方面分析了影响三维激光扫描精度的因素。
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三维激光扫描技术及在隧道监测中的应用【摘要】隧道监控量测目的是通过对隧道净空收敛和沉降观测，进行数据分析，优化隧道施工方案和设计，确定合理的安全步距和支护时间，保障隧道施工和工后运营安全，虽然国内外对隧道监控量测工作十分重视，但目前监测水平与信息化施工要求还相差甚远。
本文基于三维激光扫描技术，提出隧道三维激光扫描测量和数据可视化处理技术，经工程应用和实践，结果表明该技术可以实时、准确、全方位获取隧道空间变形数据，进行隧道施工变形分析和反分析，对隧道施工进行风险预警预报，指导隧道信息化施工，具有重要的工程应用价值。
【关键词】激光扫描仪，监控量测，预警预报，信息化
1 引言
隧道监控量测必测项目常采用水准仪、钢挂尺、收敛计和全站仪等进行测量，但水准仪、钢挂尺、收敛计等由于测量精度不高，受隧道施工影响较大，易造成施工阻碍，数据存储、传输、处理、分析等工作量大，工程应用不便。
全站仪数字化技术具有精度高、施测方便，数据存储、传输方便，可以直接与计算机连接，在友好的计算机操作系统中，实现监测数据自动传输，利用计算机自动分析、处理和查询等。
隧道及地下工程修建技术不断提高的同时，信息化施工已成为地下工程发展的必然趋势，而工程的实时监测也将发挥更为重要的作用，同时监控量测的要求也越来越高，这必然促使实时监测技术飞速发展。
三维激光扫描技术可以实时、准确、全
方位获取隧道空间变形数据，进行隧道施工变形分析和反分析，对隧道施工进行风险预警预报，指导隧道信息化施工。
2 三维激光扫描技术
隧道三维激光扫描可视化监测技术运用数字图像处理技术和计算机视觉技术，将人们使用各种仪器测量的数据处理，转换成人们能够直观、形象地理解的图像信息，帮助人们寻找数据中潜在的各种有用信息，使人们能够对获得的数据进行深刻、全面的理解。
隧道三维激光扫描可视化监测技术采用三维激光雷达扫描仪进行隧道全断面非接触扫描测量，监测点布设成黑白相间反光十字标靶或标志球，测量时仪器主动获取和存储隧道实体的点云数据，包括实体在同一空间坐标系或参考系下描述目标实体的空间分布和目标表面光谱特性的海量点云数据集合。
通过点云拼接和滤波分析等，得到隧道空间的三维实体模型，进行数字信息化处理和隧道预警预报，指导隧道信息化施工和设计。
3 点云数据的获取
隧道工程为一狭长结构，施工安全步距一般为几米至几十米，三维激光扫描仪的扫描密度是随着扫描距离的增加而下降的，所以在隧道有限的管状空间内，为了保证有充足的点云数据用于提取隧道的形变信息，通常每个测站所获取的点云数据中有效范围只有几十米，这是隧道特殊结构下不可避免的特殊问题。
采用三维激光扫描技术进行隧道监控量测时需通过分站式扫描才能采集全部数据。
为了使监测数据连续可靠，扫描数据必须有一定的重合度，即保证
点云数据拼接过程中每两个测站间的公共部分，监测时需根据隧道断面尺寸大小，每隔一定距离设置一个测站，用于拼接的控制点只能布设在两站间的衔接部分，在每两个测站间的隧道内壁上均匀布设5-6 个反光靶，以及在地面上布设3-4 个反光靶拼接时将第一站作为基准站，其后每一站分别与相邻的前一站作拼接，前后测站间首尾相连。
但所测点云数据分别在以各站站点为原点的独立坐标系中，因此在进行隧道形变分析时，需要对各测站点云数据进行拼接。
4 点云数据的拼接
隧道监测区段的数据采集过程中需对隧道进行分站式扫描，且在其后的数据处理过程中，必然涉及到点云数据的拼接问题，点云数据的拼接精度是保证后期一系列数据计算精度的重要前提，所以要尽量的减小拼接误差。
点云数据拼接是通过计算每两个测站点云数据所在坐标系之间的转换参数，将所有点的三维坐标统一到同一个坐标系下。
对于扫描数据来说，不存在扭曲和缩放，需要的是平移和旋转，即刚体变换。
点云数据拼接方法主要有：（1）利用专用的测量仪器实现测量数据的直接拼接，此种方法简单快速，无须事后数据拼接，其拼接精度依赖于硬件的测量精度，但系统通常复杂、昂贵，而且不能满足任意视角测量；（2）基于测量表面贴附标记点的方法，这种方法通过贴附足够数量的标记点用以计算两组点云数据间的拼接变换
参数，但所得拼接精度受标记点数量影响较大，并且在确定标记点位置时易受复杂外形的限制；（3）根据测量后的点云数据拼接算法处理，把不同坐标系的点云数据统一拼接到同一坐标系统下，这种方法拼接精度主要依赖于拼接算法的优劣，类别上可大概分为基于点信息的拼接算法、基于几何特征信息的拼接算法、动态拼接算法和基于影像的拼接算法。
5 工程应用与实践
宝峰隧道是昆玉铁路重点风险监控隧道，进口段属浅埋偏压隧道，围岩等级为ⅴ级，主要以强风化泥灰岩为主，地质构造发育，隧道监控量测采用隧道三维激光扫描监测技术对隧道进行了跟踪
监测。
为及时掌握隧道施工过程中变形和收敛情况，对隧道监测数据进行分析处理，采用专用的分析软件scene 4.8进行点云数据处理和分析，建立隧道三维空间实体模型和对比分析模型，如图1所示，分析隧道净空收敛和收敛值如图2所示，在geomagic studio 10软件也可浏览和查询任意点的坐标值和其它点云信息，准确地掌握隧道净空变化规律，为隧道的安全施工提供有力的保障。
6 结论与建议
隧道三维激光扫描监测方法是利用三维激光扫描系统实时、全方位、高精度、高密度获取海量实体点云数据，并进行点云拼接、滤波处理等得到隧道实体的三维模型和分析结果，生成了不同里程的断面图和变化分析图，可用来分析隧道的净空收敛和拱顶沉降等
变化规律，并进行预警预报，具有数据真实可靠、实时处理和全信息数字化等优点，便于工程信息化施工和管理。
工程应用表明，隧道三维激光扫描监测方法可以快速、实时地
获取隧道施工的动态数据，掌握隧道的动态变化规律，指导隧道信息化安全施工，是目前最理想的监控量测方法，并取得了较好的应用效果。
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