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掃描工程

地鐵、隧道收斂檢測應用

徠卡P40隧道收斂檢測解決方案及優勢介紹

        武漢地鐵2號線長港路站至范湖站隧道病害整治測量工作,接工程勘察研究院邀請,協助進行承擔該區間的專項掃描測量工作。首期長港路站至漢口站右線試驗段進行隧道外業掃描,斷面凈空測量及分析,補充測量該段區間隧道的斷面、結構收斂、隧道管片結構沉降及軌道沉降等情況。同時試驗區段進行兩期數據疊加對比,通過三維方式分析隧道整體形變情況。

本次測量工作得到了鐵四院工勘院及武漢地鐵運營公司的大力支持與協助,現場配合的工作人員每晚熬夜至凌晨3點半,積極主動聯系地鐵站工作人員,為外業勘測爭取了最多的有效工作時間;在現場嚴格要求,做好安全防護措施,為本次勘測工作提供了有力的安全保障。

 

1.外業處理

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1.1.1.架站及掃描

   在做好前期踏勘的基礎上,掃描儀在整個測區沿線計劃間隔30-50m均勻設站,目的是使采集到的數據連續、均勻,且保證掃描的點位精度。單站掃描密度均設置為[email protected],掃描范圍為全景掃描,用此標準進行獨立的掃描作業。

1.1.2.數據拼接及坐標配準

       基于隧道狹長型的特點,此次掃描站站之間使用公共標靶進行站站之間的點云數據拼接,單站掃描完畢,進行前后的標靶掃描,保證該站與前后相鄰的兩站數據分別具有至少兩個公共標靶。

1.1.3.數據傳輸

單線掃描完畢,使用USB設備進行數據傳輸,單線單次掃描原始數據量約為12G.

2.內業處理

2.1.Cyclone數據預處理

2.1.1數據庫建立及數據導入

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         Cyclone是徠卡三維激光掃描儀標配點云內業后處理軟件,在此項目中主要進行點云數據從設備中的讀取、點云拼接以及點云預處理工作。Cyclone以數據庫的形式對各個掃描任務進行獨立管理,單個數據庫軟件顯示界面可加載百億級點云且不會出現卡頓的現象。在此步驟中主要工作是創建以本次掃描內容為標題的數據庫,然后將掃描的原始數據導入到Cyclone中。

2.1.2 基于標靶的自動拼接及坐標配準

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拼接的同時可以記錄站站之間的拼接精度及地理坐標的配準精度,讓整個拼接都在控制之中,避免出現數據才拼接中的精度超預期損失。

2.1.3.去噪及導出

        點云拼接及配準完成之后,得到了帶有真實地理坐標的海量數據,在這份數據中有很多是計算時的無用數據,如操作人員、標靶、現場工程設備以及管壁上的復雜輸電線路等,凡是不需要參與收斂計算的數據需全部刪除,在此步驟即利用Cyclone去噪菜單通過自動及手動兩種方式對冗余數據進行批量刪除,僅保留管壁上的點云數據參與后期計算。     

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僅保留管壁上的點云數據參與后期計算。

2.2.點云的統一化及導出

   數據去噪完成之后,需要利用Cyclone特有的點云統一化功能對隧道數據進行優化,將同樣位置的點云進行計算和自動過濾,最終以整體的方式得出一份數據質量好、噪聲小、點云均勻的高精度數據。

點云完成統一化后,基于專業成果處理需求的原因,需要將數據進行特定格式的輸出,利用徠卡上海技術中心軟件團隊研發的徠卡HDS隧道形變監測系統進行隧道手鏈收斂分析,軟件中支持的點云格式為.xyz.pts

2.3.徠卡HDS隧道形變監測系統隧道數據處理

    徠卡HDS隧道形變監測系統軟件為徠卡上海技術中心針對國內隧道領域客戶專門開發的一款針對隧道行業應用的專業三維點云成果處理軟件,在國內的高校及生產單位中如長江水利委員會、中交二航局等單位已經得到了成功應用。軟件主要針對隧道施工面臨的隧道施工質量檢測分析、超欠挖計算、竣工測量以及隧道運營中的隧道多期形變分析、隧道管片斷面收斂檢測提供解決方案。在此報告中主要針對項目所面臨的隧道斷面收斂檢測做處理過程描述。

2.3.1.點云數據及斷面要素的導入在Cyclone將統一化完成點云導出后,使用徠卡本地化隧道軟件進行數據導入,同時將標準的隧道設計斷面信息導入軟件中以便后續通過斷面對比來判斷隧道斷面的收斂情況。

2.3.2.隧道中心線的提取

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     隧道中心線提取是此項目中最重要的工作之一,在以往的隧道施工質量檢測、隧道超欠挖分析中可以直接利用設計單位給出的隧道設計線路要素生成中心線,然后利用此中心線進行分析。此次長漢段地鐵在長期的運營中隧道已經發成了自身的形變和整體的位移,故原有的設計線路數據已經無法利用。

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    徠卡本地化隧道軟件內置了通過點云自動擬合中心線的功能,基于隧道已經發生自身形變,斷面已經不是一個標準的圓形,故擬合也無法通采用標準圓的形式擬合中心點進而連城中心線,針對此問題,徠卡本地化研發團隊根據需求加入了橢圓法擬合隧道中心的中心線提取選項,通過此種方法可最大限度的讓中心線節點貼近于斷面現狀的幾何中心,為后續收斂分析提供最精確的標準。 

2.3.3.斷面提取及收斂對比。將擬合的中心線定義為設計線路,以設計線路為依據通過固定里程間隔提取隧道斷面,間隔的里程可人工自定義,本項目試驗段采用6m的固定間隔,軟件自動批量生成斷面。生成好的斷面與標準設計斷面直接進行疊加對比,可直觀展示隧道收斂情況。

2.3.4.圖表的導出

完成橫斷面的收斂分析之后,軟件提供PDF文檔的收斂圖及表格的批量導出功能,下列為導出的圖標樣本。

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2.4.海克斯康3DRESHAPER隧道數據處理

    3Dreshaper是徠卡測量系統母公司海克斯康集團旗下的一款專業做三維點云數據分析檢測和處理的專業軟件,與徠卡測量系統共享集成的系統解決方案。該軟件集成了專業的對到模塊,不同于上述徠卡本地化軟件,此軟件除了可做斷面分析外還可以通過三為點云、三維模型的兩期或多期數據對比,通過色譜的方式三維整體分析隧道的形變情況,在全面的三維數字化采集越來越普及的時代,隧道的三維形變檢測必將發展成為一個新的隧道檢測形式,為日常生產帶來更專業的分析成果。

2.4.1.兩期數據分別導入3DReshaper(以下簡稱3dr)軟件

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2.4.2.數據的對比疊加

    通過3dr軟件中的測量功能,將兩期模型進行疊加對比,通過相同位置的坐標變化,可完成任意區域的三維變形分析,同時可以通過變形的大小通過色譜的深淺變化的方式直觀的表現出來。

具體操作方式為,在選項設置中定義形變的正方向及形變大小的色譜偏離值,這樣檢測完成后可生成自定義產生的檢測結果,一目了然。

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2.4.3.基于斷面的兩期數據對比

    通過3DReshaper創建隧道走向的中性軸,同時,將兩期數據沿此中性軸進行疊加后的共同斷面切割,本次同樣以6米一個斷面進行斷面創建。

通過隧道測量模塊的比較檢查功能,進行基于斷面的對比,來顯示在此斷面上,兩期數據到底發生了多大的變化。

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2.5.項目處理小結

   通過掃描及數據處理發現,采用三維激光掃描方法進行隧道收斂檢測,對比目前傳統的測繪方式來說大大提高了作業效率,同時軟件自帶的多種分手段,為后續的多種專業成果處理提供了較為實用的解決方案。


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