一種圓形隧道收斂變形的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及隧道變形監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域,尤其是涉及一種圓形隧道收斂變形的測量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,隨著我國城市化進程的快速發(fā)展,為了解決大城市的交通擁堵問題,各大 城市正在大力發(fā)展城市軌道交通工程。除了地鐵隧道,我國的公路隧道修筑規(guī)模也不斷擴 大,目前公路隧道正以年均350公里的速度遞增。在隧道的建設(shè)階段和運營階段,變形監(jiān)測 都是不可或缺的。由于隧道處在條件復雜的巖土介質(zhì)當中,地層與結(jié)構(gòu)的相互作用機理并 不明確,因而目前仍然沒有比較完善的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。
[0003] 目前常用的隧道變形測量技術(shù)有收斂計、大地測量、巴塞特收斂系統(tǒng)。這些技術(shù)雖 然有較高的精度,但測量效率較低,同時只能獲取少量的測點數(shù)據(jù),無法全面反映隧道的變 形。如果為了反映整條隧道的變形狀態(tài),則需要以非常密集的間隔布設(shè)監(jiān)測斷面,雖然在技 術(shù)上是可行的,但其成本將非常昂貴。
[0004] 中國專利CN102878975A公開了 一種隧道收斂變形監(jiān)測方法,在選定的隧道橫斷 面上沿襯砌環(huán)向布設(shè)若干錨固點,并以這些錨固點作為監(jiān)測參考點;在每兩個相鄰錨固點 之間依次用一個剛性的、具有標準長度的測量安裝臂和一個滑動套筒連接,在測量安裝臂 上安裝一個傾角傳感器,同時在測量安裝臂與滑動套筒之間安裝一支振弦式變位計;再將 上述形成的系統(tǒng)組件的兩個自由端分別通過錨點鉸支座對應(yīng)錨固于襯砌上相鄰的兩個錨 固點上;并以此法形成若干系統(tǒng)組件連續(xù)環(huán)向鏈接下去,直至達到觀測設(shè)計要求的單元數(shù); 實現(xiàn)監(jiān)測方法簡單,成本低廉,設(shè)備占用隧道截面積小,能實現(xiàn)更高精度的監(jiān)測。該專利存 在只能獲取少量的測點數(shù)據(jù),無法全面反映整個隧道的變形的缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種圓形隧道收斂 變形的測量方法,能夠快速高效地獲取圓形隧道的收斂變形,無需布設(shè)監(jiān)測點,減少對于隧 道結(jié)構(gòu)的干擾,測量效率非常高,并且能夠獲取隧道三維收斂變形,為施工和運營期的隧道 提供了全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007] 一種圓形隧道收斂變形的測量方法,包括:
[0008] 步驟Sl :沿隧道長度方向布設(shè)多個激光掃描測站,建立由三維激光掃描儀確定的 參考坐標系,每一激光掃描測站之間設(shè)立至少3個公共的工作基點,三維激光掃描儀獲取 每一激光掃描測站的工作基點坐標以及隧道點云;
[0009] 步驟S2 :以步驟Sl中工作基點作為拼接基準點,將步驟Sl中所有激光掃描測站 的隧道點云歸并到一個統(tǒng)一的參考坐標系中,獲得隧道三維點云,并按照管節(jié)將隧道三維 點云分割為多環(huán)管節(jié)的點云;
[0010] 步驟S3 :根據(jù)改進的圓柱面擬合算法將步驟S2中一環(huán)管節(jié)的點云擬合為圓柱面 并提取管節(jié)軸線點坐標,圓柱面根據(jù)管節(jié)軸線點坐標進行坐標變換和降噪處理后,沿管節(jié) 軸線方向投影到平面上獲得二維的隧道點云輪廓線,根據(jù)橢圓擬合算法將二維的隧道點云 輪廓線擬合為用于表示隧道的橫斷面收斂變形的橢圓,將橢圓上任意一點距離圓心的數(shù)值 與隧道標準圓半徑進行數(shù)值比對,求取兩者差值,即得到了該處對應(yīng)的管節(jié)收斂變形值;
[0011] 步驟S4 :根據(jù)平面應(yīng)變條件,將步驟S3中橢圓沿軸線拓展成三維的橢圓柱面,該 橢圓柱面表示一環(huán)管節(jié)的收斂變形,由多環(huán)管節(jié)對應(yīng)的橢圓柱面獲得整個隧道的三維收斂 變形。
[0012] 所述步驟Sl中每一激光掃描測站之間的間距由隧道半徑?jīng)Q定,隧道半徑越小則 激光掃描測站間距越小。
[0013] 所述步驟S2中隧道三維點云分割在點云后處理軟件中進行,點云后處理軟件刪 除與管節(jié)距離大于設(shè)定值的點。
[0014] 所述點云后處理軟件為 Cylone、Polyworks、Realworks Survey、Geomagic 中的任 意一種。
[0015] 所述步驟S3中根據(jù)最小二乘法進行圓柱面的擬合,通過最小二乘法獲取五個待 定參數(shù)y(l、 Z(l、λ、Ρ、R,根據(jù)五個待定參數(shù)將點云擬合為圓柱面,其中,y(|為管節(jié)軸線上固 定點的y軸坐標,Z tl為管節(jié)軸線上固定點的z軸坐標,λ為管節(jié)軸線方向單位向量投影到 xy平面后與X軸的夾角,K為管節(jié)軸線方向單位向量與xy平面之間的夾角,R為待擬合的 圓柱面半徑。
[0016] 所述步驟S3中圓柱面的擬合具體為:刪除殘差大于設(shè)定值的點云,再對點云進行 均勻抽稀,再以100個點云進行圓柱面擬合,將此擬合結(jié)果作為一個初始值再對一環(huán)管節(jié) 的點云進行圓柱面擬合。
[0017] 所述步驟S3中圓柱面根據(jù)管節(jié)軸線點坐標進行坐標變換包括:圓柱面向繞Z軸旋 轉(zhuǎn),再繞y軸旋轉(zhuǎn),最終通過平移使管節(jié)軸線與X軸重合,并使直角坐標系原點位于管節(jié)軸 線上。
[0018] 所述步驟S3中圓柱面根據(jù)軸線點坐標進行降噪處理具體為:坐標變換后將直角 坐標系轉(zhuǎn)換為柱坐標系,再基于誤差分布的統(tǒng)計方法刪除噪聲點。
[0019] 所述基于誤差分布的統(tǒng)計方法刪除噪聲點具體為:管節(jié)以Γ為區(qū)間分為360組, 針對每一組點云數(shù)據(jù),求取這組點云數(shù)據(jù)在柱坐標系下的徑向坐標的標準差,再將每個點 的徑向坐標減去隧道內(nèi)徑得到的差值與標準差進行比較,將差值大于3倍標準差的點作為 噪聲點,將其刪除。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0021] 1)本發(fā)明采用三維激光掃描技術(shù)進行非接觸測量,無需在現(xiàn)場布置監(jiān)測點,即可 快速測量隧道的三維坐標,減少對于隧道結(jié)構(gòu)的干擾,測量效率非常高。
[0022] 2)本發(fā)明通過標靶拼接技術(shù),將從不同測站掃描得到的隧道坐標歸并到統(tǒng)一坐標 系中,從而能夠獲取完整的隧道點位坐標,大量的測點數(shù)據(jù)可全面反映隧道的變形。
[0023] 3)本發(fā)明提出了一套激光掃描數(shù)據(jù)處理的算法,對隧道進行三維建模,從而能夠 準確地測量圓形隧道的收斂變形,為施工和運營期的隧道提供了全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0024] 4)本發(fā)明中設(shè)計了圓柱面的擬合步驟,在刪除殘差較大的點云之后進行圓柱面擬 合,有效的提升精度;對要進行擬合的管節(jié)點云,運用點云后處理軟件進行均勻抽稀,對抽 稀后的點云進行圓柱面擬合,保證精度的同時節(jié)省了計算時間;首先以100個點云進行圓 柱面擬合,將此擬合結(jié)果作為一個初始值再對大量的點云進行圓柱面擬合,這樣有效的節(jié) 省了算法的時間。
[0025] 5)本發(fā)明對分割完畢之后的每個管節(jié)點云利用點云后處理軟件中點云框選工具 選取距離管節(jié)較遠的點,將其視為噪聲點刪除,同時對坐標變換后的圓柱面進行降噪處理, 因為此時降噪處理需要刪除距離管片很近的噪聲點,這些點無法通過人工框選方式刪除, 所以采用基于誤差分布的統(tǒng)計方法來刪除噪聲點,以此達到降噪的目的,提供數(shù)據(jù)的精準 度。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明所示的圓形隧道收斂變形的測量方法的工作流程圖;
[0027] 圖2為圓柱面擬合的示意圖;
[0028] 圖3為坐標繞z軸旋轉(zhuǎn)示意圖;
[0029] 圖4為坐標繞y軸旋轉(zhuǎn)示意圖;
[0030] 圖5為一環(huán)管節(jié)橫斷面橢圓擬合結(jié)果示意圖;
[0031] 圖6為一段隧道三維橢圓柱面變形云圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進行實施,給出了詳細的實施方式和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0033] 本發(fā)明公開了一種圓形隧道收斂變形的測量方法,涉及現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)處理兩方 面?,F(xiàn)場測量方面,本發(fā)明以任一圓形隧道作為掃描目標,采用三維激光掃描技術(shù)進行測 量,能夠獲取成千上萬個間距為幾個毫米的測點的三維坐標,測量速度非常快,點云能夠被 自動記錄到三維激光掃描儀的存儲系統(tǒng)中,在數(shù)據(jù)處理階段可將這些坐標數(shù)據(jù)導出。數(shù)據(jù) 處理階段將所有測站的點云歸并到一個統(tǒng)一的參考坐標系中,建立隧道的三維模型,通過 改進的圓柱面擬合算法、坐標變換、降噪、橢圓擬合、橢圓柱面建模獲取圓形隧道的收斂變 形。
[0034] 如圖1所示,當確定了一條圓形隧道作為測量對象之后,其收斂變形的監(jiān)測包括:
[0035] 步驟Sl :沿隧道長度方向布設(shè)多個激光掃描測站,建立由三維激光掃描儀確定的 參考坐標系,每一激光掃描測站之間設(shè)立至少3個公共的工作基點(標靶),三維激光掃描 儀獲取每一激光掃描測站的工作基點坐標以及隧道點云。
[0036] 每一激光掃描測站之間的間距由隧道半徑?jīng)Q定,隧道半徑越小則激光掃描測站間