第２２卷第５期 ２０１３年１Ｏ月 测绘工程 Ｖｏ１．２２．Ｎｏ．５ ０ｃｔ．，２０１３ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ 基于三维激光扫描的地铁隧道连续形变 监测数据处理软件系统 康志忠 ，托雷 ，王保前 ，谢远成ｚ （１．中国地质大学土地科学技术学院，北京１０００８３；２．上海市城市建设设计研究总院，上海２００１２５） 摘要：利用地基＿一维激光扫描技术所具有的“形测量”特点，结合高精度、高空间分辨率的多时相点云数据，实现地 、铁隧道连续形变监测数据处理的软件系统。系统的主要功能包括：点云拼接、隧道中轴线拟合断面连续截取、形变 分析以及成果输出等。结合对上海某地铁隧道的多期激光扫描数据的处理，展示软件的主要功能和技术流程，最后 对系统的应用前景进行阐述。 关键词：地铁隧道；连续形变监测； 维激光扫描；曲线拟合；断面截取 中图分类号：ＴＵ１９６；ＴＰ３１３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—７９４９（２０１３）０５ ００８２—０５ Ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ３ Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ＫＡＮＧ Ｚｈｉ—ｚｈｏｎｇ ，ＴＵＯ Ｌｅｉ ，ＷＡＮＧ Ｂａｏ—ｑｉａｎ ，ＸＩＥ Ｙｕａｎ—ｃｈｅｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；２Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｒｂａｎ ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ３Ｄ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄｓ ｄａｔａ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＴｈｅ ｓｙｓｔｅＩＴｒｓ ｍａｉｎ ．ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎｃｌｕｄｅ．ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄｓ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ，ｔｕｎｎｅｌ’ｓ ｃｅｎｔｒａｌ ａｘｉｓ ｆｉｔｔｉｎｇ， ＣＯｎｔｉｎｕＯｕｓ ｖｅｒｔｉｃａＩ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｕｔｐｕｔ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｐｅｒｉｏｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ａ ｓｕｂｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ ＳｈａｎｇｈａｉＴｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ．ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｆｉｎａｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ；ｑｕａｄｒｉｃ ｆｉｔｔｉｎｇ；ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ 地铁隧道建造在城市地质复杂、地下管线密 集、交通繁忙的闹市中心，作为城市交通的重要组 要求，针对地铁隧道施工和运营的特点，须有一种 简便精确、自动高效的动态变形监测方法，实现对 监测数据的快速传递、处理与分析以及科学管理。 成部分，其安全问题不容忽视，无论是在其施工期 还是在运营期都要对其结构进行变形监测。隧道 的变形监测是一项长期的工作，其特点是监测项目 多、线路长、测点多、测期频和数据量大Ⅲ。目前，该 系统与软件设计 最近几年国内在隧道工程的自动化监测系统 研究方面发展迅速，测量方法主要为接触式测量 ］ 项工作仍以手工为主，效率和空间分辨率均较低， 不能及时、全面地反映变形信息。因此，根据规范 收稿日期：２０１３—０８ ０３ 和非接触式测量两种。接触式测量方法能够直接 量测隧道特定位置、区段的形变，但人力、财力成本 作者简介：康志忠（１９７５一），男，副教授，博士研究生 极高，监测周期较长，近几年已经趋于停滞。非接 ・ ９６ ・ 测绘工程 第２２卷 参考文献： Ｅｌｉ白艳茹，王旭，王小宁．卓越计划背景下创新人才培养模 式的改革ＥＪ］．实验技术与管理，２０１２（３）：２２２—２２４． ［２］王海良，任权昌，杨新磊，等．卓越工程师培养计划下师资 队伍及实训平台建设［Ｊ］．价值工程，２０１２（３３）：２３７—２３８． ［３］刘妍，司海燕．应用型高校新模式下测绘ＣＡＤ课程体系 变革＿Ｊ］．测绘工程，２０１２，２１（６）：９２—９６． ［４］曹先革，杨金玲，马俊海，等．基于ＣＤＩＯ理念的“数字测 Ｅ５］张亚宜．关于工科院校推行卓越计划的思考［Ｊｌ南昌教 育学院学报，２０１１，２６（９）：６７—６９． Ｅ６］夏冰，郑秋生，苗凤君．卓越工程师计划与学生过程管理 ［Ｊ］．计算机教育，２０１１（１０）：３１—３３． ［７］王新志，曹爽，孙景领．测绘专业“面向对象程序设计”课 程教学实践与思考口］．测绘工程，２０１２，２１（２）：７３—７６ ［８３￣Ｐ贵洲，吴信才，晁怡，等．面向异构环境的ＧＩＳ课程教学 团队构建ｌＪ］．测绘通报，２００８（９）：７２—７５． ［９］顾留碗，王春，王岽．面向应用型人才培养的ＧＩＳ专业实 图原理与方法”课程教学改革探索ＥＪ］．测绘工程，２０１３， ２２（２）：９４—９６． 践教学体系构建［Ｊ］．测绘丁程，２０１２，２１（６）：８９ ９１． ［责任编辑：张德福］ （上接第８６页） ４结束语 结合三维激光扫描技术，本系统软件实现了地 铁隧道的变形监测数据处理，主要功能包括：隧道 ［４］许小松．全站仪配编程计算器进行隧道断面测量ＥＪ］．数 字技术与应用，２０１０（１１）：３６． ［５］黄茂华，谢义林．隧道收敛测量方法研究ＥＪ］．北京测绘， ２００９（４）：１４—１６． 点云的双站拼接、全局拼接、隧道中轴线拟合、隧道 断面连续截取、变形分析和成果输出等功能。 ［６］陶坤，何小平．ＴＭ隧道断面测量系统在施工质量控制中 的应用［Ｊ］．施工技术，２００８，３７（１１）：７３—７６． ［７］刘礼刚，秦想姣．徕卡ＴＣＲＡ１１０１全站仪在隧道断面测 量中的应用［Ｊ］．山西建筑，２００９，３５（６）：３５６—３５７． 相比传统的隧道变形监测手段，本系统软件可 以快速实现地铁隧道的断面连续截取、形变分析， 其中截取一个断面平均用时仅２．７ Ｓ，变形分析精度 Ｅ８］简骁，童鹏．基于地面激光雷达技术的隧道变形监测方法 研究＿Ｊ］．铁道勘察，２０１１（６）：１９—２１． 在亚毫米级。由于隧道狭长的曲线特征，点云拼接 会随着拼接站数的增加而降低精度，以及在隧道转 弯处前后测段的衔接问题需要解决；另外，断面的 连续截取、＿二维显示、形变分析到成果输出还需要 做进一步优化。 通过对本系统软件的设计与功能实现，以及今 后的逐步完善，可以使其快速准确处理大批量的地 面二三维激光扫描数据，实现对地铁隧道快速、连续 ［９］李健，万幼川．基于地面激光技术的隧道变形监测技术 ＿Ｊ］．地理空间信息，２０１２，１０（１）：１４—１７． ［１Ｏ］陆震．地铁隧道变形监测技术［Ｊ］．施工技术，２００９（３８）： １０５—１０６． ［１１］毕俊，冯琰，顾星晔，等． 维激光扫描技术在地铁隧道 收敛变形监测中的应用研究［Ｊ］．测绘科学，２００８（Ｓ２）： ｌ４—１５． ［１２］周奇才，孙月腾，陈海燕，等．地铁隧道变形监测的数字 图像处理技术研究［Ｊ］．中国工程机械学报，２００９，７（４）： ４６３ ４６８． 的变形监测，从而为城市地铁交通安全提供强有力 的技术保障。 参考文献： ［１］黄腾，李桂华，孙景领，等．铁隧道结构变形监测数据管理 系统的设计与实现ＬＪ］．测绘工程，２００６，１５（６）：１ ３． ［１３］Ｉ ＥＮＧ Ｊ Ｓ，ＡＳＵＮＤＩ Ａ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＥＦＰＩ ａｎｄ ＦＢＧ ｓｅｎ— ｓｏｒｓＥＪ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，２００３，１０３（３）：３３０—３４０． ｒ１４１ｉ Ａｕ Ｋ Ｔ，ＹＵＡＮ Ｉ Ｂ，ｚＨ（）Ｕ Ｉ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｒａｉｎ ｍｏｎｉ ｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ＦＲＰ ｌａｍｉｎａｔｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍｓ ｕｓｉｎｇ ＦＢＧ ［２］李欣，方长运．赛特收敛测量系统［Ｊ］．三晋测绘，２００４，１１ （３，４）：３４—３７． ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００１，５１（１）：９－２０． ［１５］陈冉丽，吴侃．三维激光扫描用于获取开采沉陷盆地研 ［３］周奇才，金奇，高嵩，等．基于激光测距技术的隧道断面形 变检测系统［Ｊ］．测控技术，２０１０，２９（５）：４４—４６． 究ＥＪ］．测绘工程，２０１２，２１（３）：６７ ７Ｏ． ［责任编辑：张德福］
