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基于地面激光雷达技术的隧道变形监测方法研究：简骁童鹏19

文章编号：1672—7479(2011)06—0019—03

基于地面激光雷达技术的隧道变形监测方法研究

简骁童鹏
(1．中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055；2．核工业北京地质研究院，北京100029)

TunnelDeformationMonitoringbySurfaceLaserRadarTechnology

JianXiaoTongPeng

摘要根据激光点云数据的连续性、高精度性，提出了一种基于三次多项式插值曲面拟合的隧道
整体变形监测方法。该方法对同一地区地铁隧道不同时间段的激光点云数据进行三次多项式插值拟合
曲面，通过对多个拟合曲面之间的高程比较，获取地铁隧道顶部由于其上方大型建筑施工而对其产生的
影响。通过该方法的处理，可以迅速地找出地铁隧道顶部变形最大的区域，对隧道的变形进行有效的
监测。
关键词地铁隧道地面激光雷达技术变形监测三次多项式插值
中图分类号：U456．3文献标识码：A

1概述2隧道点云数据的获取及预处理

地铁隧道的变形监测是保护地铁，保障人们的生隧道点云数据的获取主要包括利用全站仪获取隧
命安全以及避免整个城市的交通体系安全受到威胁的道中反射标靶的坐标和利用地面激光扫描仪获取地铁

一项重要工作。传统的变形监测是大地测量法，主要隧道的离散点云数据。
包括三角测量、水准测量、交会测量等方法，受到观测隧道点云数据的预处理主要包括：点云数据去噪、
时间、劳动强度、自动化等多方面因素的严重制约，使配准以及重采样。
得变形监测还处在一个较低的水平¨。点云数据去噪主要是人机交互来去除地铁点云数
近年来，随着地面激光相关技术的进步以及社会据中无用点云数据，如空气中的灰尘、墙上管线、指示
需求的不断增加，地面激光雷达扫描技术作为一种新牌等。
型、快速、实时的三维空间信息获取手段，正在快速向点云数据配准是利用附有反射标靶的多站点点云
前发展。在很短的时间内，它能快速、精确、无接触地配准，利用这些反射标靶点来充当特征点，完成坐标转
获取目标的三维点云信息，完成目标的测量，提供精确换方程的参数解算，使得所有的离散点云统一到一个
的定量分析数据及结果。因为这些优势，引起了大量坐标系统中。
学者的关注，正被逐步引入工业测量、文物保护、地形点云数据重采样则是对地铁点云数据进行规则格
图制作，以及公路、桥梁、大坝等的变形监测领域。网重采样，在保证隧道模型整体性的情况下减小其数
本次实验，主要是监测地铁隧道上方的市政综合据量大小，以保证后期数据处理过程中的稳定和速度。
改造工程对下方地铁隧道顶部的沉降影响。图1为离散点云配准前后的效果，从图1可以看
出，点云数据配准之后，离散的点云数据统一到了一个
坐标系统当中，能很好的描述地铁隧道的整体形状。
收稿日期：2011—09—22
第工二程学妻院简介：简骁(1988一)，男，2008年毕业于武汉大学遥感信息利用配准前后的同一点在，Y，三个方向上的差值，
，工学学士，助理工程师。
根据标准差计算公式(1)，完成其标准差的计算。标
20铁道勘察2011年第6期

据的变形分析。
三次多项式插值采用的为分段三次Hermite多项
式插值。采用分段Hermite插值，不仅能保证在插值
区间[0，b]上的连续性，而且还能保证其光滑性。
如果已知函数y=f(x)在节点n=。<<⋯<=b
处的函数值和导数值
图1点云配准前后的效果
Y=／)，Y=厂()，k=0，1，⋯，
准差的数值如表1。其在小区间[，i]上有四个插值条件
Y一1=／一1)，Y=<)，y一1=／(—1)，Y=／()
如此就能构造一个三次多项式Hi()并称其为三
表1数据配准次Hermite插值多项式。这时，在整个区间[n，b]上可
扫描第一次扫描第二次簪扫描以用分段三次Hermite插值多项式来逼近．厂()。
站数标靶数目匹配数目标准差／标靶数目匹配数目标准差／H1()，∈[0，1]
月()，∈[1，2]
()=

月()，∈[一1，]
其中Hi()，∈[，]满足下面条件公式

由表1可以看出点云配准的效果不错，其标准差=+
均在3mm以下，这种数据可以满足后期隧道变形监
[h一2(—)](—一1)
测的分析。————————一+
上述观测值是相互独立的，根据误差传播律，可以
(一～1)(一)，(一卜1)(一)，
知道其传播公式为]———一
+——一
=+；+；(2)
其中dr为全站仪测量中误差，：为地面激光扫其中，h=—f—l。
描仪的扫描精度，，为点云数据配准中坐标转换前后根据H()的表达式，可以知道它有如下的特性：
的标准差。①H()在[n，b]上是分段函数，且在每一个[，
根据Leica全站仪以及RieglVZ一400地面激光]是一