專利名稱：隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量方法，特別是一種隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法，適用于隧道施工凈空變化監(jiān)控量測(cè)，屬于隧道工程施工監(jiān)控領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國(guó)屬于多山國(guó)家，隧道在我國(guó)山區(qū)鐵路、公路的修建中占有很大比例。目前我國(guó)的隧道工程中越來(lái)越多地采用新奧法進(jìn)行施工，新奧法構(gòu)筑隧道的主要特點(diǎn)是通過(guò)許多量測(cè)手段對(duì)開(kāi)挖后隧道圍巖的動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并以此來(lái)指導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工。作為新奧法隧道施工的重要組成部分，隧道監(jiān)控量測(cè)工作的準(zhǔn)確、及時(shí)與否，直接關(guān)系著隧道施工的安全與進(jìn)度。如何快速、準(zhǔn)確的采集隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)采集的精度，發(fā)明監(jiān)控量測(cè)的新設(shè)備、新技術(shù)促進(jìn)隧道工程的建設(shè)一直是工程界研究的重要課題。當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)行的監(jiān)控量測(cè)規(guī)程中，規(guī)定監(jiān)控量測(cè)可是使用的儀器包括收斂計(jì)、鋼掛尺、水準(zhǔn)儀、全站儀。但是水準(zhǔn)儀、鋼掛尺、收斂計(jì)都由于測(cè)量精度不高，受隧道施工影響較大，易對(duì)隧道造成施工阻礙，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、處理、分析等工作量大，工程應(yīng)用不便。目前在大多數(shù)的隧道施工監(jiān)控量測(cè)中技術(shù)人員都采用全站儀進(jìn)行，全站儀具有精度高、施測(cè)方便、數(shù)據(jù)傳輸方便等優(yōu)點(diǎn)，并且可以直接與計(jì)算機(jī)連接，在友好的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸、處理、分析。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法，其主體是應(yīng)用三維激光掃描儀器對(duì)隧道進(jìn)行拱頂沉降和圍巖凈空收變化的測(cè)量，快速準(zhǔn)確地獲得隧道全斷面三維點(diǎn)云圖，DEM圖和DSM圖，并利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理獲得隧道監(jiān)控量測(cè)所需的各項(xiàng)資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道進(jìn)行全斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法，其特征在于步驟一在所要測(cè)量的隧道內(nèi)按照要求布設(shè)標(biāo)靶點(diǎn)；步驟二 根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)度確定采用一站掃描還是多站掃描；步驟三在適當(dāng)?shù)奈恢眉茉O(shè)儀器，采用相位干涉法三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行全斷面掃描；步驟四等待掃描完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中；步驟五應(yīng)用三維數(shù)據(jù)處理軟件，將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)步驟生成三維模型；步驟六結(jié)合以前的同一隧道不同時(shí)間經(jīng)由步驟一至步驟五生成的三維模型從而生成對(duì)比模型，選定特定的斷面以及特征點(diǎn)便可以生成相應(yīng)位置的變化量分析圖以及變化量分析表，從而完成規(guī)范規(guī)定的監(jiān)控量測(cè)的必測(cè)項(xiàng)目，滿足對(duì)施工控制的要求。所述步驟一中的標(biāo)靶點(diǎn)為黑白相間反光十字標(biāo)靶。
所述步驟三中的儀器為FARO-III型三維激光掃描儀。三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是一種基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其主要特點(diǎn)是能夠快速、準(zhǔn)確和非接觸地獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)信息，具有實(shí)時(shí)性、主動(dòng)性和較好的適應(yīng)性，可以對(duì)柔性、形狀復(fù)雜、曲面不規(guī)則的物體進(jìn)行快速、高精度掃描，且還原性好，所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)自動(dòng)處理得到隧道監(jiān)控量測(cè)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)需復(fù)雜的費(fèi)時(shí)費(fèi)力的數(shù)據(jù)后處理。本發(fā)明采用相位干涉法三維激光掃描系統(tǒng)，利用激光光線的連續(xù)波發(fā)射，根據(jù)光學(xué)干涉原理確定干涉相位的測(cè)量方法，適用于近距離測(cè)量，測(cè)量范圍一般小于50m，每秒可測(cè)量10000到500000個(gè)點(diǎn)。隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法可以采用一站式或多站式非接觸掃描測(cè)量，監(jiān)控量測(cè)之前需要對(duì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行特征點(diǎn)埋設(shè)，并通過(guò)特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的拓?fù)浞治黾岸鄠€(gè)測(cè)站所掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的組合即數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠保證了隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，杜絕隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的人為影響，根據(jù)隧道全方位的真實(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行隧道施工預(yù)警預(yù)報(bào)，降低隧道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，提高隧道施工的質(zhì)量；同時(shí)可以加快數(shù)據(jù)采集以及處理的進(jìn)度，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果能夠盡快轉(zhuǎn)交施工方，更好地滿足了信息化施工的要求；節(jié)省人力、物力，節(jié)約成本，提高工作效率。


圖1為本發(fā)明的隧道洞口監(jiān)測(cè)三維正視點(diǎn)云圖與自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)；圖2為本發(fā)明的隧道三維激光測(cè)量點(diǎn)云圖；圖3為本發(fā)明的隧道凈空變化對(duì)比模型；圖4為本發(fā)明的隧道某一斷面各點(diǎn)凈空絕對(duì)變化量。
具體實(shí)施例方式如圖1-4所示，本發(fā)明的隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法，包括如下步驟步驟一在所要測(cè)量的隧道內(nèi)按照要求布設(shè)黑白相間反光十字標(biāo)靶；步驟二 根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)度確定采用一站掃描還是多站掃描(其具體的確定方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員在現(xiàn)有技術(shù)的狀況下能夠準(zhǔn)確確定或獲知的，屬于現(xiàn)有技術(shù))；步驟三在適當(dāng)?shù)奈恢眉茉O(shè)FARO-III型三維激光掃描儀，采用相位干涉法三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行全斷面掃描；步驟四等待掃描完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中；步驟五應(yīng)用三維數(shù)據(jù)處理軟件，將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)步驟生成三維模型；步驟六結(jié)合以前的同一隧道不同時(shí)間經(jīng)由步驟一至步驟五生成的三維模型從而生成對(duì)比模型，選定特定的斷面以及特征點(diǎn)便可以生成相應(yīng)位置的變化量分析圖以及變化量分析表，從而完成規(guī)范規(guī)定的監(jiān)控量測(cè)的必測(cè)項(xiàng)目，滿足對(duì)施工控制的要求。
具體來(lái)說(shuō)，以FARO-III型三維激光掃描儀為例，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)黑白相間反光十字標(biāo)靶，在三維掃描過(guò)程中這些標(biāo)靶將會(huì)被掃描到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，在后期數(shù)據(jù)處理中，軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)靶可以方便的完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。同時(shí)測(cè)量時(shí)可引用已有控制點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)將測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)改算成大地坐標(biāo)值和絕對(duì)高程值。隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法通過(guò)每天對(duì)隧道進(jìn)行全斷面掃描，將當(dāng)天數(shù)據(jù)通過(guò)軟件后處理生成隧道點(diǎn)云圖及三維全景影像圖，然后通過(guò)對(duì)比當(dāng)天的數(shù)據(jù)與前一天的相同斷面數(shù)據(jù)建立對(duì)比模型，從該模型中就可以清楚地看得到隧道各部分的收斂變形情況，得到據(jù)隧道洞內(nèi)同一斷面不同時(shí)間的斷面對(duì)比分析圖，通過(guò)圖形對(duì)比可以直觀得到該隧道內(nèi)壁任意一點(diǎn)的絕對(duì)位置變化量。通過(guò)進(jìn)一步處理還可以生成拓?fù)湔`差分析表和觀測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位位移，生成分析報(bào)表，得到了傳統(tǒng)意義上的隧道斷面各個(gè)點(diǎn)位拱頂沉降與凈空變化值，同時(shí)還可以得到隧道模型內(nèi)任意點(diǎn)的變化值而不局限于各斷面里程所布的點(diǎn)數(shù)，真正意義上做到隧道全斷面監(jiān)控量測(cè)。以上僅是本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例，本發(fā)明的實(shí)施不限于此。
權(quán)利要求
1.一種隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法，其特征在于步驟如下 步驟一在所要測(cè)量的隧道內(nèi)按照要求布設(shè)標(biāo)靶點(diǎn)；步驟二 根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)度確定采用一站掃描還是多站掃描； 步驟三在適當(dāng)?shù)奈恢眉茉O(shè)儀器，采用相位干涉法三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行全斷面掃描；步驟四等待掃描完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中；步驟五應(yīng)用三維數(shù)據(jù)處理軟件，將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)步驟生成三維模型；步驟六結(jié)合以前的同一隧道不同時(shí)間經(jīng)由步驟一至步驟五生成的三維模型從而生成對(duì)比模型，選定特定的斷面以及特征點(diǎn)便可以生成相應(yīng)位置的變化量分析圖以及變化量分析表，從而完成規(guī)范規(guī)定的監(jiān)控量測(cè)的必測(cè)項(xiàng)目，滿足對(duì)施工控制的要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法，其特征在于所述步驟一中的標(biāo)靶點(diǎn)為黑白相間反光十字標(biāo)靶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法，其特征在于所述步驟三中的儀器為FARO-III型三維激光掃描儀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隧道全斷面三維激光監(jiān)控量測(cè)方法，屬于隧道工程施工監(jiān)控領(lǐng)域。其方法為在所要測(cè)量的隧道內(nèi)按照要求布設(shè)標(biāo)靶點(diǎn)；根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)度確定采用一站掃描還是多站掃描；在適當(dāng)?shù)奈恢眉茉O(shè)儀器，對(duì)隧道進(jìn)行全斷面掃描；等待掃描完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中；應(yīng)用三維數(shù)據(jù)處理軟件，將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)步驟生成三維模型；結(jié)合以前的同一隧道不同時(shí)間的三維模型從而生成對(duì)比模型，選定特定的斷面以及特征點(diǎn)便可以生成相應(yīng)位置的變化量分析圖以及變化量分析表。本發(fā)明對(duì)隧道實(shí)施全斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高監(jiān)控量測(cè)工作的速度與準(zhǔn)確度，節(jié)省人力物力，提高了隧道監(jiān)控量測(cè)的速度和質(zhì)量，為隧道工程建設(shè)提供了可靠的保障。
文檔編號(hào)G01C7/06GK102564393SQ20111044822
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者倪婷婷, 朱明巖, 藺清君, 鄧啟華, 鄧洪亮, 陳凱江, 高文學(xué) 申請(qǐng)人:中鐵二十二局集團(tuán)有限公司, 北京工業(yè)大學(xué)