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行业资讯|三维激光扫描仪在地铁隧道形变监测中最新操作方法研究

2018/12/21

1、测量方案设计

由于地铁盾构隧道工作空间狭长,隧道内控定向制点较少,该项目采用全站仪配合三维激光扫描仪同时作业法,控制点釆用隧道贯通测量完成后的导线点和高程点成果,该方法外场作业俯视示意图如图1所示,在扫描仪两侧各伸出一个棱镜杆,每侧安置一个测绘用标准圆棱镜,两个棱镜并面向与扫描仪中心的相对位置关系严格固定。距离扫描仪测5~10m处设置一个直径100mm的半球棱镜靶。

图1 外场作业现场俯视示意图

作业时,扫描仪司仪架设整平好扫描仪,将扫描仪基座上的2个棱镜对准全站仪方向,然后将半球棱镜的半球一面朝向扫描仪,棱镜的一面朝向全站仪,即可开始扫描。此时面朝隧道大里程方向·位于扫描仪基座左手的棱镜称为Ⅰ号棱镜,右手棱镜为2号棱镜,半球棱镜为3号棱镜。

全站仪的作用是给扫描仪基座上的两个棱镜及半球棱镜获取具有隧道控制测量坐标系的三维坐标,3个梭镜的坐标点名为“X11”,“X12”“X13”。内业数据处理时,通过七参数坐标转换算法,使用软件自动识别和匹配每个扫描测站的3个定位棱镜点,通过三个棱镜测量点的隧道控制坐标系和扫描仪相对坐标系计算得出的转换参数。然后通过该坐标系转换参数,将该扫描测站的点云数据中每个点的扫描仪相对坐标系三维坐标转换成隧道控制测量坐标系三维坐标。

2、外业数据采集

本次外业数据在隧道贯通测量完成后轨道铺设前提供成型隧道断面数据及隧道中心线偏差数据等,用于地铁线路调线调坡及限界分析,为设计单位提供二次设计的数据依据。本工程外业测量釆用扫描仪十徕卡圆棱镜法,通过全站仪快速传递隧道控制坐标系统给扫描仪基座和定向球形靶实现扫描仪的测站定位和定向,软件事后自动对三维点云数据绝对定位左棱镜X1,右棱镜Ⅹ2,靶球ⅹ3(“X”为测站号),外业测量操作步骤为:

(1)进入隧道后首先确定隧道大里程方向,镜并面向大里程方向确定左右方向;

(2)将全站仪架设于贯通测量后的隧道控制举点上,对中、整平、定向;

(3)架设扫描仪和靶球,靶球距离扫描仪5-10m,将激光扫描仪与外业电脑连接,对激光扫描仪进行预热,预热完成后测试连接是否正常;

(4)全站仪操作员在扫描仪设置完成后开始扫描前盘左快速测量隧道控制坐标系下扫描仪

基座上的棱镜和定向球形靶的三维坐标并以特定点名存储。

(5)开始三维激光扫描,扫描时人员应避开有效扫描区域,一測站扫描图如图2(a)所示;

(6)扫描仪扫描完成后,全站仪操作员盘右快速测量隧道控制坐标系下扫描仪基座上的棱

镜和定向球形靶的三维坐标并以特定点名存储;

(7)扫描仪迁站,两测站之间间隔15m为宜重复(3)-(6)步骤,迁站后无需预热.

3内业数据处理

基于外业采集的点云数据,本文利用三维激光扫描数据专业处理软件 Amberg Tunnel进行点云数据处理及成果分析,主要有以下几个步骤:

(1)首先将全站仪采集的各测站的扫描仪两个棱镜及靶球坐标数据编制成规定格式的文

本文档,用于扫描仪独立坐标系与隧道控制网坐标系之间的转换。

(2)新建 Amberg Tunnel工程项目并设置工程参数及隧道几何参数,如设计平曲线、竖曲线、设计断面及理论区间等设计参数。

(3)将点云原始数据导入事先建立好的工程项目中,先后将每一测站点云数据进行坐标转换

及里程定位,并设置点云距扫描仪的距离参数进行测站点云过滤。

(4)采用绝对定位法将各测站点云数据坐标转换定位后,软件会自动将转换后的点云数据自

动拼接,隧道完整点云模型如图2(b)所示,此时拼接后的点云数据坐标已经是隧道控制网坐标系统。

图2 点云数据模型

(5)点云数据分析。可以设置相关参数通过将坐标转换、定位并拼接完成后的点云与理论三

维模型进行对比分析,对点云进行抽稀和降噪。点云分析完成后将生成沿隧道顶端展开的正射影像图及偏差值彩色影像图。

(6)断面提取。可根据点云分析成果提取大于1cm的任意间距的断面数据,并生成成果报

表,并根据提取的断面运用最小二乘拟合法生成圆形隧道中心线数据

(7)管环椭圆度计算。在得到的断面上进行长短半轴的测量并求取椭圆度,计算公式参照式

T-2*(a-o) D

式中,T为椭圆度,a是隧道长半轴,b为隧道短半轴,D为隧道的外径,

(8)隧道中心线提取,根据得到的断面运用最小二乘拟合法生成隧道中心坐标,将一定间距的断面中心坐标拟合出一条空间曲线表示隧道得空间姿态和走势,即称为隧道的中心线。