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1、,基于三维激光扫描自动获取隧道全断面变形处理技术,谢雄耀 教授同济大学土木工程学院副院长,2017年中国测绘地理信息技术装备展览会,2017年10月21日,内容概况,4 点云建模方法的工程应用,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,1 绪论,5 结论,1 绪论,研究背景,收敛计,巴塞特系统,全站仪,传统测量技术局限：有限个点的高精度测量，无法获取整体变形信息,隧道工程,基坑工程,全站仪,全站仪,测斜仪,1 绪论,地形测量,文物保护,钢结构工程,桥梁工程,1 绪论,研究意义,现存问题,三维激光扫描技术能够快速全面测量结构变形如何进行测量结果的提取
2、,在保证精度的前提下，高效的扫描目标点云扫描得到的点云数据没有实际意义，从无序的点云坐标中获取工程所需的各类信息,1 绪论,地下工程变形的点云数据处理方法,1 绪论,研究内容与技术路线,内容概况,4 点云建模方法的工程应用,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,1 绪论,5 结论,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,2.1 基坑点云数据采集方法,基坑工程属于敞开的方形构造，在布设激光扫描测站时通常需要围绕基坑四周进行布设。,上海某地铁车站,北基坑测站布设,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,要获得基坑围护结构的变形，需要将不同时期测量获得的
3、点云数据进行比对，要使不同时期扫描的基坑点云坐标匹配到大地绝对坐标系中，须布设变形测量基准点。,布设原则：基准点的数量应大于5个，在施工条件复杂的情况下应增加基准点数量；基准点应布设在牢固可靠的支架上，尽量避免被扰动；关于基准点的位置应与施工方进行充分的沟通，确保施工过程中不对其产生干扰；在基坑附近布设基准点，应定期标定其坐标的变化。,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,2.2 基坑点云数据预处理,原始数据导入,点云拼接完成,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,2.3 隧道点云数据采集方法,中心布设,偏心布设,隧道工程属于长条式的封闭结构，测站的布设必然是需要沿着隧道的前进方向进行布设，同
4、时由于其结构的封闭性，扫描的方式也应该利用扫描仪全空间扫描的特点进行360扫描以获取完整的隧道三维点云数据。,激光扫描仪单站布设：,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,2.3 隧道点云数据采集方法,激光扫描仪测站间距：,以65入射角作为限值，当激光扫描仪恰好位于隧道圆心处时，2.1倍隧道内径为激光扫描测站间距最优值。而对于偏心布设，由于其相对于中心布设来说稍差一些，所以测站的间距宜取得更小一些。,对于一般隧道而言其内部的通视条件都是比较理想的，所以完全可以几个测站共同使用同一组标靶。,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,2.4 隧道点云数据预处理,上海某电力顶管隧道,原始数据导入,点云拼接
5、完成,内容概况,4 点云建模方法的工程应用,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,1 绪论,5 结论,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.1 点云分割,由于三维激光扫描仪在对目标进行扫描获取其三维点坐标的同时，也会获取目标的RGB色彩信息，根据目标物体组成材质的不同，其最后模块中反映得到的色彩信息是不同的，利用这一点将隧道分割成一环一环。,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.2 点云去噪,同基坑点云处理一样，由于隧道结构除了管片之外还会存在一些管线、灯管等杂物，需要在Modelspace模块中将其作为
6、噪声点删除。同样通过旋转、缩放等手段尽可能将各噪声点去除。,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.3 点云圆柱面拟合,通过圆柱面拟合以提取该环管片的轴线点坐标，为后续的坐标变换打下基础。所谓点云圆柱面的拟合，即通过算法将实测得到的点云数据最佳匹配到理论的圆柱面上。在模块中，为使用者提供了根据点云数据进行圆柱面拟合的功能，可以在很短的时间内完成点云圆柱面的拟合。,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.4 坐标变换,确定管片点云的观察方向：,圆柱面拟合结果：轴线点A和B,沿着隧道的前进方向为正向，即观察的方向为：,将轴线点A作为轴线上的一个固定点一同进行坐标
7、变换,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,(1)绕z轴旋转,(2)绕y轴旋转,3.2.4 坐标变换,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,x轴与隧道轴线方向一致，坐标原点位于隧道轴线上,(3)平移变换,3.2.4 坐标变换,将直角坐标系的点云坐标转换为三维柱坐标系，即x轴坐标不变，将y和z坐标变成极坐标形式,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.5 点云进一步降噪处理,经过点云去噪之后，仍然会有一小部分距离管片比较近的干扰点没有被去除。采取基于标准差的点云降噪方法，将管片点云按照环内角度，以1度为间隔分为360组数据，计算每一组点云的径向坐标 的平
8、均值E以及相应的标准差，通过点云的径向坐标 与该组点云的平均值E的差值作为检验的目标，该差值超过3倍标准差即认为此点为噪声点，将其剔除。,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.6 管片点云规则网格化,在柱坐标系中进行点云规则网格化，在环向以一定的角度为间隔（如1），将360的圆划分为n等分。然后沿管片轴向以一定的长度，将环宽划分为m等分，将该区域内的点云径向坐标求取平均值作为特征点的径向坐标，并以此进行管片三维变形的计算。,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.7 生成单环管片三维变形云图,利用特征点的径向坐标减去隧道的设计内半径，即可以得到相应的管片变
9、形值。通过Matlab程序将不同的变形值赋予RGB值，这样就可以通过色彩信息表示出来,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.8 生成连续管片三维变形云图,平移逆变换,绕y轴旋转逆变换,绕z轴旋转逆变换,网格化点集转为直角坐标系,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.8 生成连续管片三维变形云图,传统二维椭圆拟合方法,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,3.2.8 生成连续管片三维变形云图,对任意断面进行切片：,内容概况,4 点云建模方法的工程应用,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,1 绪
10、论,5 结论,4 点云建模方法的工程应用,上海地铁6号线东方体育中心站至灵岩南路站区间隧道衬砌外径为6.2m，内径为5.5m，衬砌采用预制钢筋混凝土管片，每环管片的宽度为1m，厚度为35cm。,4.1上海地铁6号线东方体育中心站至灵岩南路站区间隧道,4 点云建模方法的工程应用,4.1.3 三维激光扫描仪精度分析,基于点云规则网格化的三维建模方法得到现场三维激光扫描测量所获取的管片三维云图，剖切任意三个断面得到0.5m、1m、1.5m对应的横断面轮廓线，与全站仪数据进行比对。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.3 三维激光扫描仪精度分析,0.5m处环向切片同全站仪测点数据的测量误差平均值为0.
11、05mm，标准差为0.7mm； 1m处环向切片测量误差平均值为-0.15mm，标准差1.0mm；1.5m处环向切片的测量误差平均值-0.16mm，标准差1.0mm。说明三维激光扫描仪相较于全站仪的准确度和精密度都较为理想。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.4 现场数据采集,采取测站中心架设的布设方式，测站与测站之间采用多测站共用标靶的方式,扫描仪黑白标靶通过塑封将纸质的标靶密封的里面，可以黏贴在隧道的管片内壁上。利用该扫描仪纸质标靶，将2天扫描得到的点云数据拼接起来。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.4 现场数据采集,原始数据导入,点云拼接完成,4 点云建模方法的工程应用,4.1.5
12、隧道三维变形云图,隧道1-20环的变形相对较小，基本都在-10mm10mm之间，同时变形呈现出一个斜向椭圆柱面的大致趋势。之后隧道的管片变形逐渐增加，同时变形呈现出上下顶部收缩，左右中部扩张的横椭圆柱面的大致趋势。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.5 隧道三维变形云图,4 点云建模方法的工程应用,4.1.5 隧道三维变形云图,针对每一环管片，还可以在任意位置进行切片得到该断面位置处的管片点云变形信息，利用传统的二维椭圆拟合方法，对每一个切片断面进行椭圆拟合，就可以得到每一个切片断面处的收敛变形和椭圆度。可以获取更为丰富的管片断面变形信息，更好的为实际工程项目服务。,4 点云建模方法的工程应
13、用,长江西路隧道为双管双向6车道，每管单向3车道，隧道的限界宽度为12.5m。隧道衬砌外半径7.5m，内半径6.75m，环宽2.0m，采用通用楔形衬砌结构错缝拼装，每环管片由标准块八块（B1B8），相邻块二块（L1L2），封顶块一块（F）组成。,4.1 上海长江西路隧道,4 点云建模方法的工程应用,4.1.2 现场数据采集,由于长江西路隧道当时正处于施工过程，在扫描的过程中经常会有来往车辆经过，为了不干扰车辆的通行导致施工的延误，同时也为了保证在三维激光扫描期间扫描仪不会受到外界因素的触碰和干扰，激光扫描仪的布设采取偏心布设方式。测站与测站之间采用多测站共用标靶的方式。,4 点云建模方法的工程
14、应用,4.1.2 现场数据采集,原始数据导入,点云拼接完成,4 点云建模方法的工程应用,4.1.3 隧道三维变形云图,长江西路隧道北线1-210环变形云图，管片变形相较于处于运营期的上海地铁6号线区间隧道来说，其管片收敛变形明显要小很多，收敛变形均在10mm左右。同时长江西路隧道的管片收敛变形从第1环至第210环，经历了一个从斜向椭圆柱面趋势变化到横向椭圆柱面趋势，再变化到接近竖向椭圆柱面趋势的过程。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.3 隧道三维变形云图,4 点云建模方法的工程应用,4.1.3 隧道三维变形云图,4 点云建模方法的工程应用,4.1.4 不同施工工况的管片三维收敛变形变化,针
15、对长江西路隧道北线第15环管片，在盾构推进至15环、盾构推进至17环、以及推进至127环时分别对第15环管片进行扫描，利用点云规则网格化的建模方法得到三维变形云图。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.4 不同施工工况的管片三维收敛变形变化,将相同的网格点的收敛变形数值相比对，求取差值，即可得到不同施工阶段的第15环管片收敛变形变化情况。,利用传统二维椭圆拟合方法,4 点云建模方法的工程应用,4.1.5 管片错台,针对长江西路隧道北线第271环的管片，利用点云规则网格化方法测量得到其环内错台。首先将管片点云依照接缝分割成标准块、相邻块和封顶块。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.5 管片错台
16、,针对每一块的管片区块，利用点云规则网格化建模方法对标准块、相邻块、封顶块分别进行三维建模。将不同区块接缝处的网格点径向坐标进行比对，求取2者的差值就可以得到对应于该处的管片环内错台值。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.5 管片错台,使用二维椭圆拟合的方法来表示隧道管片的变形，要求取管片环内错台，即在二维的横断面变形上，根据变形图，人工提取可能的管片错台点，并计算两点之间的位移作为该处管片的错台。这种方法使用二维空间的两点间距离来表示三维的环内错台，同时在寻找错台点的过程中是通过人工干预，不仅效率较低，还容易寻找到错误的错台点。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.5 管片错台,求取环间错
17、台的方式，可以将任意相邻两环管片进行点云规则网格化的建模，得到其三维变形云图，之后通过剖切断面，提取前一环管片末尾的环向切片数据，以及后一环管片的顶部环向切片数据，将其轮廓线叠加到一起，通过对应角度的网格点的径向坐标的差值来反映环间错台值。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.6 纵向变形测量,以长江西路北线1-100环数据为例，通过基于点云规则网格化的三维建模算法中的圆柱面拟合，得到每一环管片的轴线，将其首尾相连，得到纵向轴线。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.6 纵向变形测量,将实测轴线高程减去设计轴线对应的高程值，就可以得到隧道纵向变形值，同一里程值处存在两个高程点，表示相邻两环管片
18、接缝处的环间错台所引起的轴线高程变化，正值表示后一环相对前一环抬起，负值表示后一环相对前一环下沉。,4 点云建模方法的工程应用,4.1.6 纵向变形测量,25环至40环，环间错台均在10mm以内，纵向变形值在60mm至100mm范围。,内容概况,4 点云建模方法的工程应用,3 基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法,2 地下工程三维激光扫描数据采集方法,1 绪论,5 结论,7 结论,好的现场数据采集方法，使得现场干扰减小，获取更完整的点云数据，并提升扫描效率。通过程序实现点云的分割、降噪，能够极大地提高效率和提升精度。关键在于如何用计算机图像识别的技术自动分辨出隧道衬砌点云和其他噪声点。从三维的角度进行建模，提出了基于点云规则网格化的隧道三维建模方法，以此获取隧道三维收敛变形，并可将不同施工工况下的管片变形进行比对，并获取管片错台、隧道纵向变形等信息。,敬请各位专家批评指正！ 谢 谢!,
