三维激光扫描技术在隧道工程监测中的应用研究

摘要

传统监测建筑工程变形的方法有常规地面测量方法、GPS测量方法、摄影测量方法等。这些方法虽都有较好的应用，却仍是单点式和影像式的数据采集模式。单点式数据采集模式监测覆盖面较小，难以表达监测对象的整体形变信息。影像式数据采集模式监测覆盖面较广，但精度不高。相比之下利用三维激光扫描技术采集建筑物表面数据时效率更高、范围更广、人力要求更低，且能以一定的精度获取建筑工程的整体形变信息。因此，研究三维激光扫描点云数据处理显得十分重要，本文对此提出了一种基于点云数据的隧道工程整体变形分析方法。
　　 该方法以地面型三维激光扫描点云数据为数据源，共包括5个部分:基于公共控制点的点云坐标系归化、加权分层的点云压缩、基于斜率收敛的隧道的断面截取、隧道超欠挖计算和隧道变形分析。在坐标系归化过程中，根据多个控制点平差计算旋转参数，保证了坐标系归化过程中的准确性。在点云压缩过程中，把加权分层的点云压缩方法与传统的八叉树分割的点云压缩方法进行对比，证明了加权分层的点云压缩算法更适用于隧道等长大线型工程的点云数据压缩。在隧道断面截取过程中，实现了由斜率限差的迭代计算来控制隧道中心线的拟合精度，其中还引入了顾及三个坐标方向的最小二乘平面拟合方法。在超欠挖计算与检测过程中，通过对隧道断面的面积进行检测，联合隧道断面半径的变化值进行断面的收敛变形分析。最后对传统的变形分析方法进行了改进，将固定单点变形分析方法拓展为整体变形分析方法。
　　 针对上述的方法，开发了隧道工程三维激光扫描数据处理原型系统，此软件的主要功能是处理点云数据，对其实施坐标系归化、点云压缩、断面截取、超欠挖计算、估算土方量、3DS模型演示和断面收敛变形分析等。并采用新疆盐水沟隧道两期三维激光扫描实测数据对系统进行可靠性验证。验证过程中分别计算了各期数据中断面的直径，其中绝大部分断面的直径的拟合中误差在(5.57-10.23)毫米内，超出了允许的管径测量中误差。说明运用三维激光扫描技术进行隧道断面的收敛变形监测还需进一步的研究。但对比于传统的数据采集方式，三维激光扫描技术在数据量、数据采集速度和人力要求等方面都具有比较明显的优势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．1．1 大型工程变形监测方法及发展状况

1．1．2 三维激光扫描技术与传统监测技术的对比

1．1．3 三维激光扫描技术在大型工程变形监测中的应用

1．2 国内外的研究进展

1．3 本文的研究内容及研究思路

第2章 三维激光扫描点云数据预处理

2．1 三维激光扫描系统

2．1．1 系统分类

2．1．2 系统组成

2．1．3 系统工作原理

2．1．4 系统工作流程

2．2 点云导出、配准和去噪

2．3 点云坐标系归化

2．3．1 空间坐标系旋转算法

2．3．2 基于3个公共控制点的坐标系归化

2．3．3 基于多个公共控制点的坐标系归化

2．4 点云数据压缩

2．4．1 基于八叉树分割的点云压缩算法

2．4．2 基于加权分层的点云压缩算法

2．4．3 两种压缩算法的对比分析

2．5 点云数据断面切割

2．5．1 基于斜率收敛算法的断面切割

2．5．2 断面点云数据拟合

2．5．3 断面分析对象的提取

2．6 精度影响定性与定量分析

2．6．1 定性分析精度影响因素

2．6．2 定量分析断面点云厚度

2．7 本章小结

第3章 三维激光扫描隧道超欠挖计算与检测

3．1 隧道中心线文件组织与管理

3．1．1 平曲线设计数据组织与管理

3．1．2 竖曲线设计数据组织与管理

3．1．3 断面设计数据组织与管理

3．2 隧道横断面提取

3．2．1 隧道中心线的法平面方程计算

3．2．2 曲面拟合算法研究

3．2．3 切片式方法提取

3．2．4 旋转式方法提取

3．3 超欠挖计算

3．3．1 超欠挖面积计算

3．3．2 土方量计算

3．4 本章小结

第4章 三维激光扫描隧道变形分析

4．1 隧道变形分析与工程应用

4．1．1 隧道变形分析方法

4．1．2 工程实例分析

4．2 隧道三维模型重建与可视化分析

4．3 本章小结

第5章 隧道工程三维激光扫描数据处理原型系统设计与实现

5．1 需求分析

5．2 系统的设计

5．3 系统的实现

5．3．1 点云数据预处理的实现

5．3．2 超欠挖面积计算与检测的实现

5．3．3 变形分析和模型演示的实现

5．4 系统设计功能特点

5．5 系统运行主要界面

5．6 本章小结

第6章 结论及展望

6．1 论文的主要结论

6．2 论文不足与展望

致谢

参考文献

附录1：读取测站信息的源码

附录2：如下所示为读取竖曲线信息的源码

附录3：两期数据对比分析的源码

攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践