[發(fā)明專利]基于三維掃描點云的隧道施工信息化監(jiān)測系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510092309.2
• 申請日: 2015-03-02
• 公開（公告）號: CN104680579B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧洪亮;高文學(xué);周世生;馬瑞;葉春琳;郭洋;陳鴿;王思淼
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06Q50/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種隧道信息化施工監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報技術(shù)，屬于地下工程施工監(jiān)測和風(fēng)險管理技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

近些年來，地下工程技術(shù)有著越來越多的廣泛運用和奪目誘人的商業(yè)前景，在工程建設(shè)的眾多技術(shù)領(lǐng)域中顯得十分突出。然而地下工程項目具有隱蔽性大、技術(shù)復(fù)雜、作業(yè)循環(huán)性強、建設(shè)工期長、作業(yè)空間有限等特點，而且動態(tài)施工過程中的力學(xué)狀態(tài)是變化的，圍巖的力學(xué)物理性質(zhì)也在變化，在實施過程中存在著許多不確定的不安全因素，使得地下工程成為一項具有高風(fēng)險的工程項目。實現(xiàn)地下工程施工信息化管理，監(jiān)控量測是地下工程施工的必要環(huán)節(jié)，是施工信息化的控制性基礎(chǔ)工作，在巖土工程界也一直把監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)的分析與處理作為信息化技術(shù)研究的重點。

隧道等地下工程設(shè)計的基本特點是“地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，基礎(chǔ)信息缺乏”，其施工存在著很大的不確定性和高風(fēng)險性，自從新奧法誕生以來，隨著巖土理論及量測技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、計算機輔助設(shè)計等方面的發(fā)展，使隧道等地下工程施工邁進了“信息化”時代。隧道等地下工程也稱為隱蔽工程，由于地質(zhì)條件的不確定性和復(fù)雜性，給施工和安全帶來很大的風(fēng)險和隱患，采用有效的監(jiān)測和信息化管理技術(shù)全方位的采集現(xiàn)場信息，進行科學(xué)的分析和預(yù)測可以避免和減少事故的發(fā)生，保證工程質(zhì)量，但由于目前國內(nèi)外監(jiān)測技術(shù)和管理水平所限，地下工程信息化監(jiān)測問題一直是地下工程的瓶頸和難點。

現(xiàn)有技術(shù)中存在的主要問題如下，

(1)數(shù)據(jù)采集過程人為影響因素和施工影響因素多，數(shù)據(jù)真實性不能得到保證，監(jiān)測過程丟失了大量的與隧道施工有關(guān)的信息，不能夠準確反映圍巖的變形情況和進行風(fēng)險預(yù)報。

(2)數(shù)據(jù)采集較慢，監(jiān)控量測設(shè)備自動化、信息化程度低，數(shù)據(jù)后處理工作量大，占用很多人力、物力，影響施工信息的反饋和利用。

(3)采用三維直角坐標系統(tǒng)采集隧道變形信息，不能反映出隧道在地應(yīng)力和施工因素等作用下產(chǎn)生的變形和隧道空間姿態(tài)變化情況，不能準確地描述隧道特征點和特征點的空間變化，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用和正確展現(xiàn)。

(4)傳統(tǒng)的監(jiān)測方法數(shù)據(jù)采集較慢，且隧道內(nèi)較為昏暗，不以準確定位測量點，容易出現(xiàn)測量偏差和誤差。

(5)數(shù)據(jù)傳輸和存儲受環(huán)境影響存在間斷和連續(xù)，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時更新和使用，不能及時指導(dǎo)工程信息化設(shè)計和工程施工。

(6)需要測量人員進入隧道工作，易對施工產(chǎn)生影響，且存在安全隱患。

(7)對監(jiān)控量測所得數(shù)據(jù)和施工信息等無法進行快速分析，預(yù)警預(yù)報。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為基于三維掃描點云的隧道施工信息化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、點云拼接、數(shù)據(jù)計算與分析、報表自動生成、預(yù)警預(yù)報、前端展示和數(shù)據(jù)安全模塊；具體而言，(1)采用三維激光掃描點云測量技術(shù)采集隧道全斷面空間結(jié)構(gòu)的坐標信息、強度信息、灰度信息和像元信息等，進行自動濾波處理和點云數(shù)據(jù)自動拼接，生成隧道二維平面模型和三維空間模型；(2)采用“5S”(SMS、GPRS、BDS、GPS、WCS)并行通訊方法實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)流不間斷實時傳輸；(3)引入時間、運動和轉(zhuǎn)動多維坐標軸，描述在平面內(nèi)的變化姿態(tài)，鉛垂面的變化姿態(tài)，以及隨時間的變化姿態(tài)，數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)監(jiān)測和分析結(jié)構(gòu)與工程施工信息無接縫對接；(4)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用B/S架構(gòu)，三層體系模式(User Interface，Business Logic Laye，DataAccess Layer)和七級安全管理，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)(流)，超前預(yù)報和施工信息實時處理、更新、查詢、瀏覽、三級預(yù)警預(yù)報和三級風(fēng)險管理。

(1)隧道全斷面信息采集和數(shù)據(jù)濾波

隧道全斷面信息采集系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成，它采用非接觸式高速激光測量方式，獲取隧道或者復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，測量范圍一般可選在50m左右，每秒可測量800000個左右點坐標信息、強度信息、灰度信息和像元信息等，采用自動測度計算的數(shù)據(jù)自動濾波處理和控制點自動拼接技術(shù)，生成隧道二維平面模型和三維空間模型。其優(yōu)點在于能夠保證了隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的真實性，杜絕隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的人為影響；同時可以加快數(shù)據(jù)采集以及處理的進度，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析結(jié)果實時指導(dǎo)隧道施工，更好地滿足了信息化施工的要求；節(jié)省人力、物力，節(jié)約成本，提高工作效率。

(2)“5S”數(shù)據(jù)傳輸