地面激光雷達(dá)在電力管廊形變監(jiān)測中的應(yīng)用

地面激光雷達(dá)在電力管廊形變監(jiān)測中的應(yīng)用本文介紹和探討了引進(jìn)國際最先進(jìn)的地面激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)AmbergTunnelscan隧道測量檢測系統(tǒng)在延西變電力管廊形變監(jiān)測項(xiàng)目中技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線、成果和精度分析并給出了在后續(xù)電力管廊形變監(jiān)測中需要注意的問題。標(biāo)簽：地面激光雷達(dá)；三維激光掃描；電力管廊；形變監(jiān)測1、技術(shù)背景地面激光雷達(dá)，英文學(xué)術(shù)簡稱Ground-basedLIDAR（LightDetectingandRanging）,又被稱作地面三維激光掃描測量技術(shù)，是近幾年來才被工程界逐步采用的一種新型高精度三維測量檢測手段。該技術(shù)通過激光雷達(dá)的掃描鏡頭高速旋轉(zhuǎn)，將紅外波段激光束高速發(fā)射到被測物體表面，并快速接收其反射光束從而實(shí)現(xiàn)對被測量物體與激光雷達(dá)測站之間相對角度、距離、以及激光反射率的快速精確測量。通過對這些三維空間坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測站拼接后，可以真實(shí)再現(xiàn)物體的幾何形狀以及表面紋理特征。文獻(xiàn)［1］應(yīng)用該技術(shù)檢測圓形地鐵隧道竣工時(shí)實(shí)測與設(shè)計(jì)斷面對比的變形，文獻(xiàn)⑵?⑸應(yīng)用該技術(shù)檢測圓形地鐵隧道運(yùn)營階段斷面變形和橫向位移變形，文獻(xiàn)［6］和［7］則應(yīng)用該技術(shù)檢測公路隧道運(yùn)營階段的斷面變形。上述工程應(yīng)用實(shí)踐表明，地面激光雷達(dá)在檢測隧道的三維變形方面具有速度快、精度高、檢測全面等優(yōu)勢。本文結(jié)合地面激光雷達(dá)檢測延西變220kV輸電線路改造工程隧道變形的實(shí)際案例對這一技術(shù)的特點(diǎn)和實(shí)際使用效果進(jìn)行探討。2、項(xiàng)目簡介延西變220kV輸電線路改造工程隧道段距離A檢修口（JX-1）135?220米（A檢修口向B檢修口隧道設(shè)計(jì)里程為125?210米）處于易發(fā)生沉降變形的高速鐵路跨越段。為科學(xué)評估該電力隧道在運(yùn)營使用過程中受高鐵跨越運(yùn)營對電力隧道沉降、變形等綜合影響，我單位分別于2016年9月21日和2017年12月1日先后兩次使用瑞士知名隧道測量監(jiān)測產(chǎn)品供應(yīng)商AmbergTechnology公司的AmbergTunnelscan隧道掃描測量系統(tǒng)對隧道從A檢修口到B、C檢修口的電力隧道段實(shí)施了三維激光隧道掃描測量監(jiān)測。本次監(jiān)測的主要目的是發(fā)現(xiàn)隧道差異沉降、位移、裂縫、滲水等隧道結(jié)構(gòu)變形和病害，同時(shí)檢驗(yàn)激光雷達(dá)技術(shù)在電力管廊隧道變形檢測中的適用性和有效性。3、技術(shù)方案1）外業(yè)第一步：布設(shè)隧道監(jiān)測控制網(wǎng)本次監(jiān)測隧道兩個(gè)控制點(diǎn)之間最大距離沒有超過100米，使用短距離高精度三角高程傳遞可以達(dá)到二等水準(zhǔn)測量的精度要求［4，5］。本項(xiàng)目使用高精度全站儀徠卡TS50在隧道內(nèi)地面上中心線位置采用“三聯(lián)腳架法”布設(shè)高精度平面和高程一體化控制點(diǎn)K1?K5,使用固定高度的進(jìn)口棱鏡對中桿和“三角高程傳遞法”將控制點(diǎn)高程引測至各控制點(diǎn)標(biāo)志上。2） 外業(yè)第二步：在布設(shè)好的控制網(wǎng)上設(shè)站定向控制網(wǎng)布設(shè)完畢后,所有控制點(diǎn)都具有準(zhǔn)確的平面和高程坐標(biāo)。后續(xù)設(shè)站時(shí)使用固定高度的棱鏡對中桿設(shè)置在已知控制點(diǎn)上,全站儀通過后方交會方式對兩個(gè)后視點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站即可獲得測站的準(zhǔn)確平面和高程位置。3） 外業(yè)第三步：掃描儀數(shù)據(jù)采集并用全站儀測量掃描儀每站3個(gè)定位棱鏡隧道平面和高程控制點(diǎn)布設(shè)完成后，使用FAROFocus3DX130三維激光掃描儀掃描隧道三維點(diǎn)云,并采用瑞士安伯格公司技術(shù)專利的“絕對定位法”使用TS50全站儀將隧道控制測量坐標(biāo)系下的每個(gè)掃描測站的3個(gè)棱鏡的三維坐標(biāo)測量出來。其中掃描儀基座左右兩側(cè)各一個(gè)棱鏡，距離掃描儀5米處靶球棱鏡為第3個(gè)定位點(diǎn)。為了保證掃描隧道點(diǎn)云的點(diǎn)位精度，一般靜態(tài)地面隧道掃描的站間距不超過隧道直徑的兩倍。本項(xiàng)目中我們采用6米站間距進(jìn)行激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集。最后，為了便于后續(xù)輸入隧道數(shù)據(jù)處理的參考軸線，使用對中桿將地面中線點(diǎn)三維坐標(biāo)也逐一測量出來。4） 內(nèi)業(yè)第一步：輸入隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)將外業(yè)中測量的隧道地面中線點(diǎn)三維坐標(biāo)，按照平曲線和豎曲線數(shù)據(jù)類型輸入到AmbergTunne1隧道掃描測量軟件監(jiān)測包中，作為數(shù)據(jù)處理的隧道參考設(shè)計(jì)軸線。軟件根據(jù)輸入的隧道平曲線（中線）、豎曲線（縱坡）、理論斷面和理論斷面區(qū)間定義，可以自動生成隧道的3D參考設(shè)計(jì)模型。5） 內(nèi)業(yè)第二步：點(diǎn)云絕對定位（坐標(biāo)傳遞）將外業(yè)采集好的每站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全站儀給每個(gè)掃描儀測站定位的三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入AmbergTunnel隧道掃描測量軟件監(jiān)測包中，對所有測站點(diǎn)云進(jìn)行“絕對定位”。6） 內(nèi)業(yè)第三步：兩次掃描實(shí)測斷面套合對比經(jīng)過絕對定位后的每站掃描三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的隧道控制測量坐標(biāo)系下，可以通過輸入該坐標(biāo)系下的隧道軸線和設(shè)計(jì)斷面定義，使用軟件提取相同里程處兩次掃描“實(shí)測vs實(shí)測”斷面對比圖，分析隧道的沉降和變形數(shù)值。7）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理第四步：兩次掃描實(shí)測斷面對比斷面差3D投影處理此外，通過將3D點(diǎn)云按照設(shè)計(jì)斷面輪廓線展開方式進(jìn)行3D投影處理，可以獲得隧道正射影像2D展開圖。圖上每個(gè)像素點(diǎn)都對應(yīng)3D點(diǎn)云中的一個(gè)三維空間點(diǎn)。將該點(diǎn)處“實(shí)測vs實(shí)測”斷面差，即兩次掃描間隔期間斷面發(fā)生的變形量，按照不同數(shù)值區(qū)間對應(yīng)不同顏色的方式，用彩色對隧道正射影像2D展開圖進(jìn)行染色，即可以在這幅圖中獲得整條隧道每個(gè)部位變形量的分布情況。下圖左邊是隧道正射影像彩色2D展開圖，右邊是與左邊亮顯斷面里程對應(yīng)的2D斷面圖。從該圖中可看出，A隧道的變形量主要在（-20mm，20mm）范圍內(nèi)。隧道頂部的紅色和底部的綠色都代表變形量是沉降，而且沉降量在10?20mm。該圖中斷面差的正負(fù)值定義如下：負(fù)數(shù)代表實(shí)測點(diǎn)在參考斷面的內(nèi)側(cè)，正數(shù)代表實(shí)測點(diǎn)在參考斷面外側(cè)）2D彩色正射影像和2D對應(yīng)斷面視圖（左）與彩色3D點(diǎn)云視圖（右）上述3D投影還可以輸出一個(gè)與2D彩色正射影像圖相對應(yīng)的3D彩色點(diǎn)云視圖，如右圖，左側(cè)是彩色點(diǎn)云3D視圖，右側(cè)是被選中的亮顯斷面里程的2D斷面圖。4、 變形數(shù)據(jù)分析從兩次掃描實(shí)測斷面對比圖中整理出每隔5米隧道內(nèi)頂部、地板以及二者差異沉降量對比統(tǒng)計(jì)可查。其中0?80米為A隧道段，135?200米為B隧道過鐵路段。從結(jié)論數(shù)據(jù)可以看出整條被檢測隧道頂部和地板的沉降量都在5?20mm范圍內(nèi)，頂部和地板的差異沉降量在10mm以內(nèi)。此外還需要補(bǔ)充說明，2017年6月左右，該隧道內(nèi)壁重新進(jìn)行過一次內(nèi)壁粉刷和裂縫修補(bǔ)，所以涂層厚度也被包含在了這次掃描檢測出的變形量之中。5、 測量精度分析本項(xiàng)目監(jiān)測控制網(wǎng)各點(diǎn)位精度按照控制網(wǎng)平差后殘差統(tǒng)計(jì)平面精度可達(dá)3mm，高程精度1mm。按照文獻(xiàn)⑹中精度評估方法計(jì)算出的每個(gè)掃描測站所選取的最弱精度點(diǎn)云點(diǎn)（距離掃描測站3米處）的平面精度：最弱精度點(diǎn)云點(diǎn)的高程精度：6、 探討和建議鑒于兩次掃描對比獲得的隧道變形情況，建議繼續(xù)對該段隧道進(jìn)行每年一次的變形檢測并與上一年掃描檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對以確定隧道變形是否有增大或者穩(wěn)定趨勢，尤其是重點(diǎn)關(guān)注差異沉降較大部分是否會導(dǎo)致隧道繼續(xù)出現(xiàn)開裂或坍塌趨勢。如要了解隧道控制點(diǎn)的沉降量，須從隧道沉降區(qū)域以外地表穩(wěn)定點(diǎn)引測高精度水準(zhǔn)測量到隧道內(nèi)的高程控制點(diǎn)上，以檢查隧道內(nèi)控制點(diǎn)的沉降量，將這部分沉降量加到本次檢測出的各里程隧道沉降量中即可獲得隧道真實(shí)的整體沉降量。參考文獻(xiàn)：尤相駿，成俊.一種真圓型隧道激光掃描斷面變形檢測新方法的研究J]?隧道建設(shè)，2017（7），37（7），204：794-802.李攀，萬靈，王二中.基于三維激光掃描的盾構(gòu)隧道橫向變形指標(biāo)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，14（8） :1728-1734.⑶許子揚(yáng)，黃聲享，鄒進(jìn)貴?三維激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)測中的應(yīng)用J].北京測繪，2017（S1）.朱寧寧.三維激光掃描在地鐵隧道形變監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪工程，2015（5）:63-68.王令文，程效軍，萬程輝.基于三維激光掃描技術(shù)的隧道檢測技術(shù)研究J].工程勘察，2013（7）:53-57.謝雄耀，盧曉智.基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道全斷面變形測量方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013（11），32（11）：2214-2224.陳欣，江瑞齡.三維激光掃描技術(shù)在高速公路現(xiàn)役隧道變形監(jiān)測上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013 （35） :113-114.⑻于成浩，