利用3d激光掃描技術(shù)監(jiān)測鐵軌下臥層縱向形變的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用3D激光掃描技術(shù)監(jiān)測鐵軌下臥層縱向形變的方法，屬于遙感監(jiān)測或測繪測繪【技術(shù)領(lǐng)域】，其具體包括以下步驟：安裝固定3D激光掃描設(shè)備，鋪設(shè)不動；列車開動，接收信號，快速掃描；確定參照目標反射中心；數(shù)據(jù)預(yù)處理與拼接；提取中軸線，比較縱斷面形變量；分析、比較、預(yù)警。該方法適用于城軌隧道線路等地下建筑結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)采集，并快速檢測使地鐵運行過程中對鐵軌下臥層縱向變形量，同時對產(chǎn)生的變形量提供預(yù)警。
【專利說明】利用3D激光掃描技術(shù)監(jiān)測鐵軌下臥層縱向形變的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用3D激光掃描技術(shù)監(jiān)測鐵軌下臥層縱向形變的方法，屬于遙感監(jiān)測或測繪測繪【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著城市地下空間的體量和復(fù)雜性，城市地下空間的整體安全也越來越引人注目，如大范圍的沉降、坍塌，這就形成了一種惡性循環(huán)。地鐵隧道是一類狹長的線狀地下建筑物，常規(guī)的隧道變形監(jiān)測方法需多名監(jiān)測人員，其特點是監(jiān)測項目多、線路長、測點多、觀測頻繁和數(shù)據(jù)量大，給監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、分析和資料管理帶來了繁瑣的工作，以手工為主作業(yè)模式導(dǎo)致效率低下，不能及時快速地反饋監(jiān)測信息。在運行的隧道中進行監(jiān)測更是困難，主要是因為運行間隔很短，測量人員進入隧道工作非常危險。要打消公眾“步步驚心，處處陷阱”的擔憂，政府公共管理部門更應(yīng)該提高警惕，及早預(yù)防。以北京為例，目前北京地鐵形成“三環(huán)、四橫、五縱、八放射”的線網(wǎng)格局，北京作為國家首都和首善之區(qū)，政治穩(wěn)定和社會和諧等要求更為突出，一旦發(fā)生重大安全風險事故，影響面廣，損失巨大。
[0003]目前，對3D激光掃描儀的應(yīng)用還主要集中在地形測繪、構(gòu)建3D模型、文物保護和3D場景再現(xiàn)等方面，在變形監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索階段。近年來，國內(nèi)外學者做了一些相關(guān)研究，如同濟大學劉國彬研發(fā)的“隧道遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)”是“地鐵工程遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)”的一個重要組成部分。系統(tǒng)采用自動和人工的方式采集施工信息。通過輔助決策系統(tǒng)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理、分析，進而通過圖表、曲線等方式給出數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，通過這些結(jié)果來分析工程是否處于安全狀態(tài)，以及其發(fā)展的趨勢。日本地震是災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，2005年專家運用3D激光掃描儀系統(tǒng)參與災(zāi)害評估。2009年，西班牙在對某巖體崩塌的監(jiān)測中，采用地面型3D激光掃描儀成功預(yù)測巖體的崩塌，分析得到巖體破壞前的可靠形變值達到毫米級程度。2010年，三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室與武漢大學測繪學院在室內(nèi)滑坡模型試驗的基礎(chǔ)上，對三峽庫區(qū)某滑坡的其中一塊進行了兩期數(shù)據(jù)的掃描比較，采用重心法處理方式得到了理想的測量結(jié)果，研究結(jié)果表明了利用地面3D激光掃描技術(shù)獲取滑坡表面的變形是可行的，能達到很好的精度，可以滿足臨滑預(yù)報的要求。盡管國內(nèi)外在隧道變形監(jiān)測技術(shù)方面進行了大量的研究，尤其是美國等發(fā)達國家已成功開發(fā)出巴賽特隧道剖面收斂變形監(jiān)測系統(tǒng)等等，但我國在地鐵隧道方面的研究依然滯后，已有的監(jiān)測技術(shù)和儀器只適用于施工過程中的局部變形監(jiān)測，在運營期間的隧道全線的長期變形自動監(jiān)測方面尚屬空白，還需進一步研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對地鐵每日人流量大，地鐵停運獲取實驗數(shù)據(jù)不現(xiàn)實以及對鐵軌下臥層在長期荷載作用下發(fā)生的形變測量困難的問題，本發(fā)明提出了一種利用3D激光掃描技術(shù)監(jiān)測鐵軌下臥層縱向形變的方法。該方法適用于城軌隧道線路等地下建筑結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)采集，并快速檢測使地鐵運行過程中對鐵軌下臥層縱向變形量，同時對產(chǎn)生的變形量提供預(yù)警。[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種利用3D激光掃描技術(shù)監(jiān)測鐵軌下臥層縱向形變的方法，監(jiān)測方法具體步驟如下:
[0007](I)首先在鐵軌路面相鄰枕木之間，每隔30m鋪設(shè)2_3個邊長5cm的正立方反射體，用于校正，且確保這些反射體在整個監(jiān)測過程中固定不動；
[0008](2)在地鐵列車上設(shè)置固定點，安裝支架，把移動式3D激光掃描儀放置在支架上，用螺栓固定，刻度標記，安置掃描儀對準刻度；連接計算機、電源、相機這些設(shè)備，開始采集數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)包括全范圍粗掃數(shù)據(jù)、監(jiān)測區(qū)域精掃數(shù)據(jù)、追蹤目標精掃數(shù)據(jù)以及校正反射體精掃數(shù)據(jù)；
[0009](3)確定參照目標反射中心:由于參照目標反射體點云強度高，根據(jù)點云分布的幾何特征確定參照目標反射中心；其數(shù)據(jù)配準的原理是以第一期數(shù)據(jù)，即3D激光掃描儀首次掃描時的儀器自身坐標系作為工程坐標系，以后所有期的數(shù)據(jù)都是以第一次數(shù)據(jù)即第一期數(shù)據(jù)為基準進行配準，融入該工程坐標系；
[0010](4)數(shù)據(jù)預(yù)處理與拼接:數(shù)據(jù)獲取完畢之后的第一步就是對獲取的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，通過數(shù)據(jù)濾波將噪聲數(shù)據(jù)剔除，如果認為所采集到的點云數(shù)據(jù)或者局部數(shù)據(jù)相對于工程本身過于密集，還可以對數(shù)據(jù)進行抽隙處理；而數(shù)據(jù)拼接即數(shù)據(jù)配準的方法實質(zhì)是以校正反射片為公共點的數(shù)據(jù)拼接；
[0011](5)提取鐵軌下臥層中軸線，通過截取縱斷面比較形變量:通過計算機擬合一條用來表示隧道的姿態(tài)的空間曲線即中軸線來選取截斷面，測定截斷面處的縱斷面空間姿態(tài)信息，通過比較縱斷面空間姿態(tài)信息得到地鐵隧道的形變量，通過形變量顯示監(jiān)測結(jié)果；
[0012](6)比較不同時間序列下該形變量的變化情況，讀取所需數(shù)據(jù)，分析目標情況；
[0013](7)安全狀況判斷并提出預(yù)警或報警。
[0014]其中，所述3D激光掃描儀安裝設(shè)置在地鐵列車車身或車尾。
[0015]其中，所述步驟(7)具體包括以下步驟:將整個隧道施工狀態(tài)相應(yīng)的分為安全狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)和報警狀態(tài)，當監(jiān)測數(shù)據(jù)小于預(yù)警值時，工程處于安全狀態(tài)；當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值而小于報警值時這一區(qū)域時，工程處于預(yù)警狀態(tài)，該區(qū)域作為提醒工程管理單位的緩沖區(qū)，提醒工程管理單位應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行重視，同時在可能的條件下采取措施，防止數(shù)據(jù)繼續(xù)變化，避免進入報警區(qū)域；當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警值時，工程就進入報警區(qū)域，而一旦數(shù)據(jù)進入報警區(qū)域后，即表示該數(shù)據(jù)己經(jīng)處于危險狀態(tài)，必須采取措施以保證工程安全。
[0016]進一步地，取形變量警戒控制值的50%作為預(yù)警值，取警戒控制值的80%作為報警值。
[0017]有益效果:該方法具有以下優(yōu)點:
[0018]1、本發(fā)明提出的一種3D激光掃描儀快速監(jiān)測地鐵的長期震動荷載對鐵軌下臥層形變量的方法，該設(shè)備技術(shù)先進，列車在行駛過程中能實時進行掃描，針對地鐵每日人流量大，讓地鐵停運來進行實驗數(shù)據(jù)的取得不夠現(xiàn)實，所以該方法即快速準確又安全可靠，可行性高，維護運行簡單。
[0019]2、本發(fā)明提出的一種車載式3D激光掃描儀快速監(jiān)測鐵軌下臥層形變的方法及系統(tǒng)，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場處理，立即反饋的目標。采用沉降量來表征地面斷面情況，比較直觀，針對局部變形量較大的地方單獨進行維護并建立安全沉降區(qū)間來評價地鐵運行安全性。[0020]3、本發(fā)明可以通過安全沉降區(qū)間來建立預(yù)警機制，為地鐵列車提供預(yù)警系統(tǒng)，保障列車安全運行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為運用車載式3D激光掃描儀快速監(jiān)測鐵軌下臥層在長期震動荷載下產(chǎn)生形變量的方法示意圖；
[0022]圖2為運用車載式3D激光掃描儀快速監(jiān)測鐵軌下臥層形變的方法流程圖；
[0023]圖3為安全狀況判斷程序圖。
[0024]其中:1、鐵軌2、反射片3、支架4、地鐵列車5、計算機6、3D激光掃描儀【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖1-3對本發(fā)明的利用3D激光掃描技術(shù)監(jiān)測鐵軌下臥層縱向形變的方法做進一步說明，步驟如下:
[0026](I)首先在鐵軌I路面相鄰枕木之間，每隔30m鋪設(shè)2_3個邊長5cm的正立方反射體2，用于校正，且確保這些反射體2在整個監(jiān)測過程中固定不動；
[0027](2)在地鐵列車4車身或車尾上設(shè)置固定點，安裝支架3，把移動式3D激光掃描儀6放置在支架3上，用螺栓固定，刻度標記，安置掃描儀對準刻度；連接計算機5、電源、相機這些設(shè)備，開始采集數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)包括全范圍粗掃數(shù)據(jù)、監(jiān)測區(qū)域精掃數(shù)據(jù)、追蹤目標精掃數(shù)據(jù)以及校正反射體精掃數(shù)據(jù)；
[0028](3)確定參照目標反射中心:由于參照目標反射體點云強度高，根據(jù)點云分布的幾何特征確定參照目標反射中心；其數(shù)據(jù)配準的原理是以第一期數(shù)據(jù)，即3D激光掃描儀6首次掃描時的儀器自身坐標系作為工程坐標系，以后所有期的數(shù)據(jù)都是以第一次數(shù)據(jù)即第一期數(shù)據(jù)為基準進行配準，融入該工程坐標系；
[0029](4)數(shù)據(jù)預(yù)處理與拼接:數(shù)據(jù)獲取完畢之后的第一步就是對獲取的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，如小波分析等處理方式，通過數(shù)據(jù)濾波將噪聲數(shù)據(jù)剔除，如果認為所采集到的點云數(shù)據(jù)或者局部數(shù)據(jù)相對于工程本身過于密集，還可以對數(shù)據(jù)進行抽隙處理；而數(shù)據(jù)拼接即數(shù)據(jù)配準的方法實質(zhì)是以校正反射片2為公共點的數(shù)據(jù)拼接；
[0030](5)提取鐵軌I下臥層中軸線，通過截取縱斷面比較形變量:通過計算機5擬合一條用來表示隧道的姿態(tài)的空間曲線即中軸線來選取截斷面，測定截斷面處的縱斷面空間姿態(tài)信息，通過比較縱斷面空間姿態(tài)信息得到地鐵I隧道的形變量，通過形變量顯示監(jiān)測結(jié)果;
[0031](6)比較不同時間序列下該形變量的變化情況，讀取所需數(shù)據(jù)，分析目標情況；
[0032](7)安全狀況判斷并提出預(yù)警或報警:取形變量警戒控制值的50%作為預(yù)警值，取警戒控制值的80%作為報警值，將整個隧道施工狀態(tài)相應(yīng)的分為安全狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)和報警狀態(tài)，當監(jiān)測數(shù)據(jù)小于預(yù)警值時，工程處于安全狀態(tài)；當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值而小于報警值時這一區(qū)域時，工程處于預(yù)警狀態(tài)，該區(qū)域作為提醒工程管理單位的緩沖區(qū)，提醒工程管理單位應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行重視，同時在可能的條件下采取措施，防止數(shù)據(jù)繼續(xù)變化，避免進入報警區(qū)域；當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警值時，工程就進入報警區(qū)域，而一旦數(shù)據(jù)進入報警區(qū)域后，即表示該數(shù)據(jù)己經(jīng)處于危險狀態(tài)，必須采取措施以保證工程安全。 [0033] 以上為本發(fā)明的一典型實施例，本發(fā)明的實施不限于此。
【權(quán)利要求】
1.一種利用3D激光掃描技術(shù)監(jiān)測鐵軌下臥層縱向形變的方法，其特征在于:監(jiān)測方法具體步驟如下: (O首先在鐵軌路面相鄰枕木之間，每隔30m鋪設(shè)2-3個邊長5cm的正立方反射體，用于校正，且確保這些反射體在整個監(jiān)測過程中固定不動； (2)在地鐵列車上設(shè)置固定點，安裝支架，把移動式3D激光掃描儀放置在支架上，用螺栓固定，刻度標記，安置掃描儀對準刻度；連接計算機、電源、相機這些設(shè)備，開始采集數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)包括全范圍粗掃數(shù)據(jù)、監(jiān)測區(qū)域精掃數(shù)據(jù)、追蹤目標精掃數(shù)據(jù)以及校正反射體精掃數(shù)據(jù)； (3)確定參照目標反射中心:由于參照目標反射體點云強度高，根據(jù)點云分布的幾何特征確定參照目標反射中心；其數(shù)據(jù)配準的原理是以第一期數(shù)據(jù)，即3D激光掃描儀首次掃描時的儀器自身坐標系作為工程坐標系，以后所有期的數(shù)據(jù)都是以第一次數(shù)據(jù)即第一期數(shù)據(jù)為基準進行配準，融入該工程坐標系； (4)數(shù)據(jù)預(yù)處理與拼接:數(shù)據(jù)獲取完畢之后的第一步就是對獲取的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，通過數(shù)據(jù)濾波將噪聲數(shù)據(jù)剔除，如果認為所采集到的點云數(shù)據(jù)或者局部數(shù)據(jù)相對于工程本身過于密集，還可以對數(shù)據(jù)進行抽隙處理；而數(shù)據(jù)拼接即數(shù)據(jù)配準的方法實質(zhì)是以校正反射片為公共點的數(shù)據(jù)拼接； (5)提取鐵軌下臥層中軸線，通過截取縱斷面比較形變量:通過計算機擬合一條用來表示隧道的姿態(tài)的空間曲線即中軸線來選取截斷面，測定截斷面處的縱斷面空間姿態(tài)信息，通過比較縱斷面空間姿態(tài)信息得到地鐵隧道的形變量，通過形變量顯示監(jiān)測結(jié)果； (6)比較不同時間序列下該形變量的變化情況，讀取所需數(shù)據(jù)，分析目標情況； (7)安全狀況判斷并提出預(yù)警或報警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述3D激光掃描儀安裝設(shè)置在地鐵列車車身或車尾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(7)具體包括以下步驟:將整個隧道施工狀態(tài)相應(yīng)的分為安全狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)和報警狀態(tài)，當監(jiān)測數(shù)據(jù)小于預(yù)警值時，工程處于安全狀態(tài)；當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值而小于報警值時這一區(qū)域時，工程處于預(yù)警狀態(tài)，該區(qū)域作為提醒工程管理單位的緩沖區(qū)，提醒工程管理單位應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行重視，同時在可能的條件下采取措施，防止數(shù)據(jù)繼續(xù)變化，避免進入報警區(qū)域；當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警值時，工程就進入報警區(qū)域，而一旦數(shù)據(jù)進入報警區(qū)域后，即表示該數(shù)據(jù)己經(jīng)處于危險狀態(tài)，必須采取措施以保證工程安全。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:取形變量警戒控制值的50%作為預(yù)警值，取警戒控制值的80%作為報警值。
【文檔編號】G01B11/16GK103852025SQ201410102708
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】馬國偉, 董茜茜 申請人:北京工業(yè)大學