地面激光雷達(dá)在電力管廊形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

地面激光雷達(dá)在電力管廊形變監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)AmbergTunnelscan隧道測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)在延西變電力管廊形變監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)1、技術(shù)背景地面激光雷達(dá)，英文學(xué)術(shù)簡(jiǎn)稱Ground-basedLIDAR（LightDetectingandRanging）,又被稱作地面三維激光掃描測(cè)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(cè)量檢測(cè)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(cè)物體表面，并快速接收其反射光束從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量物體與激光雷達(dá)測(cè)站之間相對(duì)角度、距離、以及激光反射率的快速精確測(cè)量。通過對(duì)這些三維空間坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(cè)圓形地鐵隧道竣工時(shí)實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)斷面對(duì)比的變形，文獻(xiàn)⑵?⑸應(yīng)用該技術(shù)檢測(cè)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(cè)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(cè)隧道的三維變形方面具有速度快、精度高、檢測(cè)全面等優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合地面激光雷達(dá)檢測(cè)延西變220kV輸電線路改造工程隧道變形的實(shí)際案例對(duì)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(jiǎn)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(píng)估該電力隧道在運(yùn)營使用過程中受高鐵跨越運(yùn)營對(duì)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(cè)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品供應(yīng)商AmbergTechnology公司的AmbergTunnelscan隧道掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)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(cè)量監(jiān)測(cè)。本次監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)控制網(wǎng)本次監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)中桿和“三角高程傳遞法”將控制點(diǎn)高程引測(cè)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(duì)中桿設(shè)置在已知控制點(diǎn)上,全站儀通過后方交會(huì)方式對(duì)兩個(gè)后視點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站即可獲得測(cè)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(cè)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(duì)定位法”使用TS50全站儀將隧道控制測(cè)量坐標(biāo)系下的每個(gè)掃描測(cè)站的3個(gè)棱鏡的三維坐標(biāo)測(cè)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(duì)中桿將地面中線點(diǎn)三維坐標(biāo)也逐一測(cè)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(cè)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(cè)量軟件監(jiān)測(cè)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(dòng)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(duì)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(cè)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(cè)量軟件監(jiān)測(cè)包中，對(duì)所有測(cè)站點(diǎn)云進(jìn)行“絕對(duì)定位”。6） 內(nèi)業(yè)第三步：兩次掃描實(shí)測(cè)斷面套合對(duì)比經(jīng)過絕對(duì)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(cè)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(cè)vs實(shí)測(cè)”斷面對(duì)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(cè)斷面對(duì)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(duì)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(cè)vs實(shí)測(cè)”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(duì)應(yīng)不同顏色的方式，用彩色對(duì)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(duì)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(cè)點(diǎn)在參考斷面的內(nèi)側(cè)，正數(shù)代表實(shí)測(cè)點(diǎn)在參考斷面外側(cè)）2D彩色正射影像和2D對(duì)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(duì)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(cè)斷面對(duì)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(duì)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(cè)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(cè)出的變形量之中。5、 測(cè)量精度分析本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)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(píng)估方法計(jì)算出的每個(gè)掃描測(cè)站所選取的最弱精度點(diǎn)云點(diǎn)（距離掃描測(cè)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(duì)比獲得的隧道變形情況，建議繼續(xù)對(duì)該段隧道進(jìn)行每年一次的變形檢測(cè)并與上一年掃描檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)以確定隧道變形是否有增大或者穩(wěn)定趨勢(shì)，尤其是重點(diǎn)關(guān)注差異沉降較大部分是否會(huì)導(dǎo)致隧道繼續(xù)出現(xiàn)開裂或坍塌趨勢(shì)。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(cè)高精度水準(zhǔn)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)中的應(yīng)用J].北京測(cè)繪，2017（S1）.朱寧寧.三維激光掃描在地鐵隧道形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013 （35） :113-114.⑻于成浩，