[发明专利]一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统及方法

说明书

本发明属于以采用光学方法为特征的计量设备技术领域，公开了一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统及方法，布置好量测控制点，进行外业操作从现场采集有效数据并完成储存；对所采集的点云数据分步骤进行处理，提取出靶标中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，进行点云配准得出点云数据坐标；根据隧道表面的点云数据坐标，提取出三个有代表性桩号处的隧道断面数据，进行断面拟合，提取出中心坐标，拟合出中线。本发明具有高精度、高效率、高分辨率、全自动数字化采集、数据量丰富的特点，测量型三维激光扫描仪，扫描时间短，获取数据量大，数据精度高，点云信息全面；根据客户实际需要，进行个性化定制数据服务。

技术领域

本发明属于以采用光学方法为特征的计量设备技术领域，尤其涉及一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：对隧道围岩的稳定性进行监控及预报是确保隧道现场施工安全、提高施工信息化水平、优化围岩支护设计参数所必不可少的一项重要工作。目前国内隧道监控量测的主要监测方法仍然是采用精密水准仪、全站仪、智能收敛计等仪器设备进行测量，首先需要在隧道洞壁上及时布设监控测点(三角挂钩、反光片等)。传统监控量测方法只能逐点进行量测，无法实现全方位三维监测，在加上实际操作起来非常麻烦，效率极低，且误差不容易控制。从监测手段及预报方法的角度上来讲，传统的监控量测方法很难及时的监测到围岩的实时变形情况，抵抗现场施工环境干扰的能力较低(监测点易被破坏、测点的埋设时机受施工条件制约)，实际操作效率低下，误差离散性较大且不易控制；而且测点极易被施工器械扰动和破坏，导致无法及时监测到围岩开挖后到初期支护施作时围岩所产生的真实位移，导致测量出的收敛和沉降值偏小，使隧道施工偏于不安全；这样就导致现场量测数据本身的真实性大大降低，易对围岩的实际稳定性状态产生误判，造成的安全隐患将使现场隧道施工面临很大的风险。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)传统监控量测方法实际操作起来非常麻烦，效率极低，且误差不容易控制。

(2)采用新奥法进行施工的隧道工程中测点极易被施工器械扰动和破坏，导致无法及时监测到围岩开挖后到初期支护施作时围岩所产生的真实位移，导致测量出的收敛和沉降值偏小，极易造成监测过程中对围岩稳定性评价产生错误判断，使隧道施工偏于不安全。

解决上述技术问题的难度和意义：

有鉴于上述原因，开发和应用信息化、智能化的隧道监控量测系统成为十分迫切的需求。伴随着信息化物联网智能技术的发展，数字化、信息化、智能化、自动化测量技术引领着隧道监控量测的发展趋势。激光扫描技术与传统监测技术相比较，三维激光扫描技术具有高精度、高效率、高分辨率、全自动数字化采集、数据量丰富等特点。目前，将三维激光扫描技术应用于隧道监控量测是未来发展的一个重要研究方向，国内外很多学者对该技术的探索和研究都取得了大量的成果，他们的研究成果表明：目前最高精度的三维激光扫描仪测量精度可达0.02mm，在很多领域的应用上已经可以替代全站仪的作用，能够基本满足隧道监控量测的要求。

虽然三维激光扫描技术优势巨大，精度也在不断提高，技术也日臻成熟；但是其每秒能记录50万个点数据，采集的数据量是传统方法所采集数据量的成千上万倍，如何及时对这些大数据进行有效的分类处理并采用统计学方法进行分析是该技术所面临关键性问题。面对大数据的提取和处理，很多学者进行了研究，大多是情况下主要是提取部分断面的数据进行分析研究。但是单个断面的数据在不断的提取出来之后还是要进行综合的技术析，包括建立有效的变形数据分析模型、变形预测模型等来对围岩的稳定性进行评价。

有鉴于此，本发明将基于三维激光扫描技术在隧道监控量测中的应用，采用B/S架构，并依托JAVA开发语言开发应用系统，对接三维激光扫描技术所采集的庞大数据，实现数据的智能化处理和分析，并通过系统软件对监测数据进行测试与应用。