隧道三维点云施工监测技术与应用_邓洪亮
结构安全监控与信息化管理
体模型和多种对比分析模型，确定隧道的几何特征、病害发育情况和病害属性，实现隧道全生命周
期的信息化管理，避免传统检测方法的不全面性和局限性，全面掌握隧道健康状况。通过对珠海阳 光咀隧道勘察设计、施工和不同运营期的三维激光扫描测量和模型研究，建立隧道全命周期的检测 方法和质量评价方法，对隧道进行全面的检测和健康评价，为隧道全生命周期的建管养信息化管理
接口和可 扩展部分
未来的通道 平台化的系统设计使其具 有良好的扩展性和可集成性。为以后 的维护升级以及与其他系统的平滑接 入提供保障。
4 监测监控信息化管理技术
B 结构工程安全监控信息化管理平台（开发中）
页面展示与进入： 1 国度位置展示+背景音乐（一级管理员输入密码可进入并操作全部内容，其它人员只能进入 “权限范围内”对应目录 以下的内容，不允许查看“权限”以外的内容。） 2 省级位置展示和县市展示（可手动添加修改项目位置），显示全部省-市（县）最高级预警预报状态。 3 项目分布图展示（可手动添加修改工区位置）。显示全部项目名称下最高级预警预报状态。 4 工区图展示（可手动添加修改不同监测内容对应的符号，不同监测内容设置不同的符号）， 显示工区内全部监测内容 最高级预警预报状态。 5 项目位置和工区位置符号均设置为“星标”，监测内容符号见“符号库” 工区成果展示内容：（屏幕下方滚动显示“项目名称+工区名称”） 1 安全与风险分析 （1）静态监测安全分析曲线（选择显示,）：按“项目名称-工区名称-监测内容-监测点”选择后，显 示监测点数据历史 曲线和回归分析曲线（预测当前时间后60天），历史曲线为点划线，回归曲线为 “对数回归”,图上显示回归方程和回 归系数。 监测点可多选，分别显示于不同的小窗口内。每个窗 口显示监测点编号。(窗口大小可手动调节，按比例放大 缩小) （2）动态监测安全分析曲线（选择显示）：按“项目名称-工区名称-监测内容-监测点”选择后，显 示监测点数据历史 曲线,并列表显示监测点最近10个数据，历史曲线为点划线。监测点可多选，分别 显示于不同的小窗口内。每个窗口显 示监测点编号。(窗口大小可手动调节，按比例放大缩小) (3) 静态监测安全对比曲线（选择显示）：按“项目名称-工区名称-监测内容-监测点-监测时间段 （时间含：年 月日 时）”选择后，按选择顺序生成点划线,选择窗“项目-工区-监测点-年-月-日-时” 八级对话框。(窗口大小可手动调节， 按比例放大缩小) 2 预警预报(实时显示)：所有监测内容（1）当数值小于控制值时亮绿灯，（2）大于等于控制值，并 小于预警值时亮黄 灯，（3）当大于等于预警值时亮红灯(最高级预警)。(窗口大小固定，可移动位置) 3 其它功能： 措施和建议,成果报告，历史数据查询(三项设进入可移动选择框，点击进入)
测绘技术在隧道工程施工与监测中的应用案例
测绘技术在隧道工程施工与监测中的应用案例引言：隧道工程作为现代交通基础设施的重要组成部分，对于城市的发展和人们出行起着至关重要的作用。
然而，隧道的施工和监测过程中常常面临复杂的地质条件、工程难题和安全问题。
为了确保隧道工程的顺利进行并提高施工质量，测绘技术在隧道工程中发挥着重要的作用。
本文将通过几个具体案例，探讨测绘技术在隧道工程施工与监测中的应用。
1. 隧道施工之前的测绘应用案例在隧道施工之前，准确的地质测量和工程测量对于工程规划和施工方案制定至关重要。
以某地铁隧道施工为例，该隧道位于复杂的地质条件下，地层构造复杂，存在多处断层。
为了有效应对这些地质问题，施工方案制定前进行了详细的测绘工作。
首先，测绘人员使用高精度的地质勘探仪器，对施工区域进行了地质结构勘探。
通过获取地下地质条件和断层情况的详细数据，工程师们可以更好地了解地层的变化和特点。
同时，他们还利用地质测量技术，对隧道进口和出口两侧的地表地貌进行测绘，以确定施工的最佳路径和调整施工方案。
其次，测绘人员使用全站仪等工程测量设备，在施工区域进行了精确的三维测量。
该测量包括了地面、地下、周边建筑物等方方面面的测量，以确保施工过程中的精度和安全。
通过以上的测绘工作，施工方顺利获得了关于地质构造和地形特征的准确数据，为制定施工方案和确保隧道工程的稳定性提供了可靠的依据。
2. 隧道施工中的测绘应用案例在隧道的施工过程中，测绘技术也扮演着重要的角色。
以某高速公路隧道工程为例，该工程存在坡度陡峭、地质复杂等情况，对施工过程中的监测和控制提出了严峻挑战。
为了有效地监测隧道施工过程中的变形和位移情况，测绘人员使用了激光扫描仪等先进的测量设备。
通过定期进行扫描，可以精确掌握隧道结构的变形情况，及时发现并修正施工中可能存在的问题。
此外，测绘人员还利用遥感技术，对施工区域进行空中测绘，以获取全面的地图数据和三维模型，为设计和监测提供更精确的信息。
另外，在隧道施工中，测绘技术还可以应用于隧道掘进机械的控制和导航。
三维激光扫描在隧道检测中的应用-地铁施工及运营安全交流会
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安伯格APM定位法——Profiler5003（右上） FARO扫描仪+APM定位基座 安伯格APM定位法——FARO Focus3D（右下） 快速进行高精度激光点云的绝对坐标快速定位 距离测站10米处的点位重复精度优于２mm
TunnelScan系统硬件配置
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TunnelScan系统的硬件配置： Amberg Profiler5003+徕卡圆棱镜 Faro Focus 3D扫描仪+ APM定位基座 野外平板电脑可在现场生成断面分析报告 每次测量内业数据处理时间小于１５分钟
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Amberg集团公司的业绩
瑞士圣哥达隧道全长57km，目前世界最长隧道
最大埋深超过2000米，目前世界最大埋深隧道 目前隧道已经全部贯通，全部工程2015年完工
Amberg集团公司介绍
V-S-H- Hagerbach地下试验场：Hagerbach隧道全长近6km，是欧洲最 大的地下试验场，是许多地下施工方法与建筑材料和设备的国际实验室
自动生成各种分析报告: 超欠挖断面分析和方量报告 断面分析 断面收敛 侵界检测 隧道中心轴线 砌衬厚度、方量 激光雷达合成影像图 影像分析 渗水影像报告 裂缝影像报告 地质素描图 平整度分析报告 平整度 更加精确的方量报告 图形效果非常友好的报表
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TunnelScan – 激光雷达影像应用案例
对隧道检测数据中的激光点云数据进行裂缝识别与定位 根据裂缝的宽度与长度特征自动提取与定位 自动计算裂缝长度、宽度、里程号等
识别出裂缝位置、里程
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北京地铁6号线竣工验收扫描检测试验
TunnelScan – 激光雷达影像应用案例
三维激光扫描在隧道检测中的应用_地铁施工与运营安全交流会
Amberg集团公司的业绩
瑞士圣哥达隧道全长57km，目前世界最长隧道 最大埋深超过2000米，目前世界最大埋深隧道 目前隧道已经全部贯通，全部工程2015年完工
Amberg集团公司介绍
V-S-H- Hagerbach地下试验场：Hagerbach隧道全长近6km，是欧洲最 大的地下试验场，是许多地下施工方法与建筑材料和设备的国际实验室
•杭州地铁1号线杭州东站强险段管片横向变形 •最大处的横向变形达到10cm（4环） •TunnelScan的快速、自动化解决方案发挥优势，外业4小时检测500米，内业2天出报告 •隧道扫描全面高密度检测的优势充分发挥，找到最大变形和精确定位变形区域
里程 23248.398 23252.002 23256.801 23260.398 23263.201 23265.602 23269.994 23273.598 23277.203 23280.807 23284.400 23287.998 23291.601 23295.199 23298.801 23302.395 23306.199 23309.801 23313.400 23317.000 23321.801 23325.400 23329.000 23333.803 23337.398 23341.002 23344.600 23349.400 23353.002 23356.606 23360.199 23364.197 23367.801 23371.398 23375.000 23379.801 23383.398 23386.998 23390.598 23397.799 23404.996 23409.805 23413.398 23416.994
▪ 施工和运营隧道精确和全面数字化，包括精细化断面和激光影像数据 ▪ 快速对隧道激光雷达检测数据进行自动化大批量处理 ▪ 隧道断面收敛、中心轴线、三维真实模型、侵界、裂缝、渗水等检测
隧道监控量测三维激光扫描方法与应用研究_邓洪亮
文章编号：0494-0911（2012）S1-0123-03中图分类号：P234文献标识码：B隧道监控量测三维激光扫描方法与应用研究邓洪亮1，陈凯江1，朱明岩1，邓启华2(1．北京工业大学，北京100124;2．中铁二十二局集团有限公司，北京100053)摘要：隧道监控量测是隧道施工安全控制的一个十分的重要环节，是隧道分步验收的重要内容之一，其目的是通过对隧道净空收敛和沉降观测，进行数据分析，优化隧道工程施工方案和优化设计，确定合理的安全步距和支护时间，保障隧道施工和工后运营安全。
虽然国内外对隧道监控量测工作十分重视，但监测水平与信息化施工要求还相差甚远。
提出隧道监测量测全断面三维激光扫描技术，并进行工程应用和实践。
结果表明该技术可以实时、准确、全方位获取隧道空间变形数据。
并进行变形分析和反分析，进行隧道施工风险预警预报，指导隧道信息化施工和优化设计，精度达到或超过有关规程要求，研究成果对隧道施工具有重要的理论意义和工程实际意义。
关键词：监控量测；信息化施工；三维激光扫描技术；风险预警预报作者简介：邓洪亮（1963—），男，河南南阳人，博士，教授级高级工程师，主要从事岩土工程、工程结构监测与监控理论与应用技术研究。
一、引言三维激光扫描技术是20世纪90年代发展起来的一种快速获取空间三维信息的新技术手段，在众多的工程应用领域表现出了强大的技术优势，广泛用于逆向工程、景观三维可视化、数字城市、军事侦察、测绘等领域的空间信息快速获取。
三维激光扫描技术带动了测绘技术的全新发展，使得空间数据的获取从传统的单点数据采集向连续的、密集型自动数据获取技术转变，为测绘行业注入了新的活力，推动了测绘技术不断向前发展；同时也使专业的数据处理人员突破了传统模式，并进一步探索新的数据处理理论和方法。
三维激光扫描技术是继GPS 空间定位技术后的科学技术和信息产业的又一次新技术革新，使测绘技术的发展上了一个新的台阶。
二、隧道监控量测内容和要求在隧道建设中，由于地质情况复杂和施工过程中岩土介质力学行为不断变化等原因，导致最初设计、施工方案等在技术上、经济上不可能是最优方案。
一种基于半空间扫描测量模式的隧道坍腔地质雷达三维成像技术
由于二维的测量方式限制了隧道内地质雷达的 有效探查范围，同时雷达信号易受隧道中金属物的 干扰，其数据处理和资料解释难点较多，人为干扰因 素较大，因此隧道地质雷达应用目前多与其它地球 物 理 探 测 方 法 进 行 联 合 解 释[16]，如 瞬 变 电 磁 法
（TEM）、高密度电法（ERT）以及激发极化法（IP）等。 不同于地质雷达探测，以上方法主要针对电阻率进 行成像，然而这些方法最大的不足之处是测量效率 不高，并且探测结果分辨率较低。此外，电阻率成像 方法对于低阻体较为敏感，而对于空洞等高阻体的 判断和解释则比较复杂，需要结合当地地质资料综 合判断。因此，目前隧道中的地质雷达探测结果大 部分仅作为对综合地球物理解释的约束条件，如李 术才等将地质雷达探测结果作为三维激发极化法反 演的约束条件[17]，或者三维高密度电法反演的约束 条件[18]，并应用于实际隧道的超前预报中。
表 1 隧道坍腔模型电性系数
Table 1 Electrical coefficients of tunnel cavity model
相对介电常数（/ F/m） 电导率（/ S/m）
（图 3），其特点可以归纳为：基于显式的有限差分近
似在空间交错网格上采用蛙跳式时间步进分别迭代
求解电场和磁场分量。
图 2 隧道中地质雷达三维空间扫描测量模式 Fig.2 GPR 3D spatial scanning measurement mode in
tunnelling
注：h 表示网格大小；Ex, Ey, Ez 为电场分量；Hx, Hy, Hz 为磁场分量 .
K103+607～K103+567 区域内隧道顶部的坍腔危害。此外，将三维地质雷达探测结论与三维地震地质超前预报结
基于三维点云的隧道初支平整度检测方法
基于三维点云的隧道初支平整度检测方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于点云数据的隧道净空三维量测及变形分析技术研究
基于点云数据的隧道净空三维量测及变形分析技术研究基于点云数据的隧道净空三维量测及变形分析技术研究隧道工程是现代交通运输领域中关键的基础设施之一，对于保障交通畅通和安全具有重要意义。
然而，隧道工程在长期使用过程中会受到地质条件、工程施工、自然灾害等多种因素的影响，导致隧道内部出现各种问题，如净空不足、变形等。
因此，对隧道内部净空进行三维量测及变形分析具有重要的研究价值和实际应用意义。
近年来，随着激光扫描技术的快速发展，以点云数据为基础的隧道净空三维量测及变形分析技术逐渐成为研究的热点。
激光扫描技术可以高效、精确地获取隧道内部的三维点云数据，为净空量测和变形分析提供了有力的工具和数据支持。
该技术的流程主要包括数据采集、数据处理和分析三个步骤。
首先，通过激光扫描仪对隧道内部进行扫描，获得大量的点云数据。
然后，利用三维点云数据处理软件对扫描数据进行滤波、配准和三维重建等操作，以获得均匀且精确的隧道表面模型。
最后，通过对比隧道表面模型和设计模型，可以计算出隧道净空的具体数值，并通过拟合和统计分析等方法对隧道变形进行评估和分析。
在隧道净空量测方面，该技术可以实现全面、高效的净空量测。
借助于点云数据，可以直接计算各个位置的净空高度、宽度，并通过色彩分布反映净空的变化情况。
同时，可以利用点云数据进行断面剖析，对隧道内部的不同部位进行研究，为净空改善和优化提供数据支持。
在隧道变形分析方面，该技术具有灵活、精确的特点。
通过对比隧道表面模型和设计模型，可以实时检测隧道的变形情况，包括沉降、倾斜、收敛等。
根据变形的大小和趋势，可以对隧道安全状况进行评估和预测，及时采取相应的维修和加固措施，确保隧道的安全运营。
此外，基于点云数据的隧道净空三维量测及变形分析技术还可以与其他技术相结合，如红外摄像、位移传感器等，进一步提高净空量测的精度和变形分析的准确性。
同时，可以建立隧道净空三维量测及变形分析的数据库，对隧道的运行状况进行长期跟踪和监测。
隧道三维点云施工监测技术与应用_邓洪亮
为四维空间坐标系，其中坐标原点为隧道中线，X 轴 为隧道到中线距离，Y 轴为隧道里程，Z 轴为黄海系 统高程，θ 角为 隧道中线转 角，如图 2 所 示（图中虚 线为大地坐标系统，实线为隧道监测坐标系统）。
明，精度符合规范规定的相关要求，数据十分接近。
关键词 隧道施工监测 坐标转换 预警预报 信息化
中 图 分 类 号 :TU456+.3
文 献 标 识 码 :A
隧道工程作为特殊的地下工程建筑物， 受力特 点与地面工程有很大的差别， 从开挖支护到完成运 营的过程中， 自始自终都存在受力状态变化这一特 性。 通过隧道施工监控量测可以确定隧道围岩的变 形状态，以及隧道支护结构受力变形状态，为隧道支 护参数变更， 以及确定隧道支护与开挖工作面间合 理距离、确定隧道二次衬砌施做时间提供依据，为隧 道安全施工提供可靠的技术保障。
section 隧道施工三维点云信息化监测系统可以进行任 意时间段内的隧道开挖过程与模型对比分析， 宝峰 隧道三号斜井大里程不同时间隧道变形分析模型对
图 5 宝峰隧道三号斜井大里程不同时间隧道变形 分析模型对比图
Fig.5 Comparison of the tunnel deformation at different times in the No. 3 inclined shaft of the Baofeng Tunnel
（1 北京工业大学，北京 100124； 2 北京市公路桥梁建设集团有限公司，北京 100068； 3 中铁二十二局集团有限公司，北京 100043）
摘 要 隧道工程作为特殊的地下工程构筑物，施工过程具有很大的难度和风险，对施工过程进行信息化监测
基于三维激光扫描点云的隧道开挖面可视化识别技术
基于三维激光扫描点云的隧道开挖面可视化识别技术隧道工程是交通基础设施建设的控制性工程,从设计、施工到运营维护,地质结构对于隧道全寿命周期的安全性具有关键性作用。
特别是在隧道工程施工阶段,为了确保施工的合理以及施工人员的安全,需要同步采集隧道开挖面的岩体信息,分析判断地质状况,及时调整施工措施。
因此,利用信息技术及专业知识,实现施工过程中隧道地质结构的超前预报已成为隧道施工的热点技术。
本论文主要研究基于三维激光扫描点云的隧道开挖面可视化识别技术,为隧道开挖面岩体分析与识别提供技术支持。
受隧道施工空间及安全性要求的限制,隧道开挖面岩体信息采集采用三维激光扫描非接触测量技术,不仅可以通过远距离(最远距离6000米)扫描获取隧道的岩体结构面点云数据,而且克服了隧道开挖面非连续性和各向异性的引起的精度(10m内测量精度可达到±2毫米)问题。
本论文主要研究解决了如下关键技术问题:1.使用各向同性缩放方法对三维激光扫描点云数据进行归一化预处理,以及点云数据表面重建后三角网格模型的凸包优化方法研究。
对海量的点云数据进行各向同性缩放的归一化变换,使其形心在原点且各顶点到形心的平均距离为1。
使用Delaunay三角剖分重建得到三角网格模型,并对其凸包进行优化,去除尖锐细长三角,保证三角网格模型尽量均匀平滑。
2.基于结构面近似平面,具有一定规模大小的特点,使用扫描中心点到三角面片的距离进行结构面识别。
扫描找出距离值接近的三角面,将互相连通的三角面片归为一个结构面。
最后将规模较小的结构面剔除,并将结构面中的局部镂空加进其邻居所在结构面中,对其进行填补。
3.结合多种程序开发技术,C++,Qt,OSG,CGAL可视化实现结构面识别。
在Visual Studio 2013平台上以Qt 5.8.0为程序开发环境,使用OSG绘图实现点云、三角网格模型和结构面的三维可视化,以及对它们的缩放和旋转等操作,将结构面识别算法实现。
211081288_三维激光扫描技术在承平高速项目中的应用
DCW133数字通信世界2023.03三维激光扫描仪是以扫描仪、数码相机和软件为主要部件的扫描仪。
三维激光扫描仪具有连续、快速、无接触的特性。
在隧道施工中，采用三维激光扫描仪对点云、三维坐标、发射率等数据进行采集，通过计算机对三维点云进行三维数据分析和三维模型模拟，实现隧道工程全流程的可视性再现。
在高速公路隧道施工中，采用三维激光扫描技术可以快速高效地获取高分辨率点云数据，充分发挥技术的高可运算能力，提高能见度，采用点云进行高边坡、隧道结构、桥梁构件的逆向建模，并与BIM 的空间形态进行比较，得出挖掘前、后的设计表面和实际表面的外形，并快速地算出开挖后的土方量等。
随着我国高速公路隧道建设逐步向长、宽、深方向发展，出现了岩爆、大变形、高地温的高应力岩爆。
因此，正确选择支护参数和支护时机是十分重要的。
然而，由于隧道地质情况复杂，围岩结构的力学性能会随时间、空间的不同而不同。
因此，在设计阶段，往往很难准确地预报出隧道的变形，导致支护设计不能满足工程的需要。
为此，要实现支护设计的科学合理，就需要对施工过程进行监测，并对现场实际环境状况进行监测[1-6]。
1 三维激光扫描技术三维激光扫瞄技术，即采用激光测距技术，在测张志坤1，张 龙2，祁朋志1（1.中国交通信息科技集团有限公司中交星宇科技有限公司，北京 101300；2.中交路桥建设有限公司，北京 101300）摘要：近年来，随着交通运输行业的快速发展，隧道工程的建设规模日益扩大。
目前，我国隧道施工采用的主要是新奥法，对洞壁进行复合衬砌。
衬砌的施工质量直接关系到隧道的施工安全与使用寿命，衬砌质量控制是施工中的一个难点。
采用三维激光扫描技术，对隧道截面进行测量，比常规的测量效率更高，更能保证测量精度，是一种很有应用前景的方法。
承平高速公路隧道初支、二衬施工应用了三维激光扫技术，通过轴线偏差分析、二衬表面三维建模，解决了以往单次观测的缺陷，可以为以后类似的大变形软岩隧道施工提供有益的借鉴。
科技成果——隧道三维形变检测与仿真系统技术
科技成果——隧道三维形变检测与仿真系统技术
技术简介
该成果利用高精度三维激光点云数据对隧道进行形变检测与三维仿真。
构建的隧道三维形变检测与仿真系统可通过虚拟仿真技术对隧道形体数据进行曲面重建，并对三维形变信息进行全面、形象的表达，具有点云数据采集、配准、去噪，海量数据读取、存储、显示等功能。
适用于输水隧洞、地铁隧洞、水电大坝、水工建筑物的变形检测，水工建筑安全监测、三维数字仿真管理等。
技术特点
1、针对隧道形变检测的特点，采用三维激光扫描技术高精度、高效率获取隧洞在不同时段的点云数据和数码影像等三维立体信息，同时结合全景摄影技术，获取隧洞机构缝高清影像，并提取结构缝空间信息，评估结构缝缺陷情况；
2、根据隧洞体本身的变化的趋势，采用三次多项式拟合从海量隧洞体激光点云数据中获取高精度隧洞体横截面，使得变化剧烈的隧洞体区域获得更多的横截面，变化缓慢的隧洞体区域获取较少的横截面，从而既保证了三维隧洞体模型成果的精度；
3、通过OSG技术，开发了隧洞安全监测三维可视化系统，在可视化平台中为外部变形监测点和具有代表性的内部监测仪器，建立三维实体模型及对应的属性信息专题库；
4、研发了一套结构缝检测系统，获取结构缝序列高清影像，无缝拼接全景影像并进行尺度校准，提取结构缝缝宽、轴线偏移等信息，
并生成对应图表，实现对结构缝空间信息准确、高效、直观的量测和表达。
应用情况
从2018年至今，该成果在南水北调中线穿黄工程三维数字实景模型及应用研究、2019年南水北调中线工程穿黄隧洞A洞检修三维扫描形变检测、武汉地铁二号线运营监测项目、小浪底库区及枢纽区三维地理信息管理系统、郑州地铁1号线2期工后监测项目、三峡枢纽区数字平台建设等20多个项目中应用。
三维可视化技术在智慧消防领域的应用研究
TECHNOLOGY AND INFORMATION62 科学与信息化2022年4月上三维可视化技术在智慧消防领域的应用研究谭洪亮重庆消防安全技术研究服务有限责任公司 重庆 401120摘 要 借助人工智能、大数据、物联网等新兴技术发展和国家政策的有力支持，在智慧城市建设过程中，智慧消防应运而生。
随着现代智能科技的不断发展，三维可视化技术的应用也越来越广泛。
本文首先分析了智慧消防行业的政策背景、供应和市场需求，然后重点探究了三维可视化技术在智慧消防的应用，提出了基于三维可视化技术的智慧消防系统应用关键技术方案，为智慧消防建设提供参考与借鉴。
关键词 智慧消防；可视化技术；三维场景Research on Application of 3D Visualization Technology in Intelligent Fire Protection Field Tan Hong-liangChongqing Fire Safety Technology Research Service Co., Ltd., Chongqing 401120, ChinaAbstract With the development of emerging technologies such as artificial intelligence, big data, and Internet of Things and the strong support of national policies, in the process of intelligent city construction, intelligent fire protection emerges accordingly. With the continuous development of modern intelligent technology, the application of 3D visualization technology is becoming more extensive. This article first analyzes the policy background, supply and market demand of the intelligent fire protection industry, and then focuses on the application of 3D visualization technology in intelligent fire protection, and proposes key technical solutions for the application of intelligent fire protection system based on 3D visualization technology, thus providing reference for the construction of intelligent fire protection.Key words intelligent fire protection; visualization technology; 3D scene引言2017年10月10日，原公安部消防局发布了《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见》（公消〔2017〕297号）[1]，提出了智慧消防的重点建设任务和工作目标[2]，文件的发布标志着智慧消防建设正式步入正轨。
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隧道中线的坐标方位角 α0 =arctan[(x1 -x2 )/( y1 -y2 )]
在隧道监测坐标系中 H(XH ，YH ）坐标方位角为 θH =αH -α0 ±180
隧道坐标系中 H(XH ，YH ）点的坐标增量为
Vol . 51 ， No . 5 ， Total . No . 358 Oct . 2014
为四维空间坐标系，其中坐标原点为隧道中线，X 轴 为隧道到中线距离，Y 轴为隧道里程，Z 轴为黄海系 统高程，θ 角为 隧道中线转 角，如图 2 所 示（图中虚 线为大地坐标系统，实线为隧道监测坐标系统）。
1 监测原理
隧道真三维点云施工监测技术基于三维激光测 量原理，所采用的激光具有单色性、方向性、相干性 和高亮度等特性，测距原理可分为三角法、脉冲法、 相位移法和脉冲-相位移法， 测量平台可分为地面 固定型、车载型、手持型及机载型。 通过内置伺服驱 动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动， 决定激 光束出射方向， 从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵 轴方向快速扫描， 在测程范围内扫描视场范围内的
隧道三维点云施工监测技术与应用 文 章 编 号 ：1009-6582（2014）05-0199-06
现代隧道技术
MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY
DOI: 10.13807/ki.mtt.2014.05.031
隧道三维点云施工监测技术与应用
邓洪亮 1 付思远 1 高文学 1 周世生 2 邓启华 3
图 1 三维激光扫描仪数据采集布置示意 Fig.1 Arrangement of the testing points for data acquisition by
a 3D laser scanner
3 隧道监测坐标系统与坐标转换
隧道监测采用隧道监测坐标系统， 该坐标系统 200 第 51 卷第 5 期(总第 358 期) 2014 年 10 月出版
成 果 文 件 输 出 操 作 步 骤 ：（1）导 入 隧 道 标 准 模 型 数据，并进行模型封装；（2）导入隧道监测成果数据， 并 进 行 模 型 封 装 ；（3）进 行 模 型 对 比 计 算 ；（4） 进 行 任 意断面浏览查看；（5）输出隧道模型变形对比数据与 颜色预警预报表；（6）输出隧道模型与监测模型对比
采用 Leica TPS1200 全站仪测量结果与三维激光测 量系统检测的同一天不同测量断面的测量结果进行 了对比，对比结果如图 7 所示。
（1） 仪器标称精度对比（表 1） 光扫描仪测量， 断面测量数据精度均达到铁路 监测规程规定的要求， 二种方法测量结果吻合非常 好，点位相对误差均小于 2 mm，高程相对误差均小 于 2 mm。
!ΔX=(xH -x2 )sin(θH )
ΔY=(yH -y2 )cos(θH ) 隧道坐标系中 H(XH ，YH ）坐标值为
!X=m×1000+n+ΔX
Y=ΔY
4 数据处理与监测成果
数据处理主要内容是将噪点剔除， 进行点云拼 接等，获取正确连续性的信号。处理方法可采用系统 处理或人工处理， 首先采用系统去噪消除背景干扰 信号，再用人工局部处理删除干扰信号。
隧道三维点云施工监测技术与应用
反射体，进行空间坐标定位测量和点云特征采集，具 有扫描度快、 定位精度高和全景范围实时测量的优 点[2]。
2 数据采集
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它 是利用激光测距的原理， 通过记录被测物体表面大 量的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快 速复制出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图 件数据。 由于三维激光扫描系统可以密集地大量获 取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量， 三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测 量 的 革 命 性 技 术 突 破 [2,5]。
和侵限对比分析，及时地掌握隧道施工过程中隧道的沉降和收敛情况、隧道结构的受力和变形情况，为及时调整支护
参数、确定二次衬砌最佳时机和修改设计提供可靠的依据；并可依监测成果进行隧道施工安全风险预警预报和风险
分级管理。 工程实践表明，三维激光扫描系统具有速度快、精度高等优点；测量结果与 Leica TPS1200 全站仪对比表
明，精度符合规范规定的相关要求，数据十分接近。
关键词 隧道施工监测 坐标转换 预警预报 信息化
中 图 分 类 号 :TU456+.3
文 献 标 识 码 :A
隧道工程作为特殊的地下工程建筑物， 受力特 点与地面工程有很大的差别， 从开挖支护到完成运 营的过程中， 自始自终都存在受力状态变化这一特 性。 通过隧道施工监控量测可以确定隧道围岩的变 形状态，以及隧道支护结构受力变形状态，为隧道支 护参数变更， 以及确定隧道支护与开挖工作面间合 理距离、确定隧道二次衬砌施做时间提供依据，为隧 道安全施工提供可靠的技术保障。
隧道三维点云施工监测技术与应用
现代隧道技术
MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY
图 ；（7）生 成 隧 道 固 定 断 面 图 ；（8）生 成 隧 道 断 面 监 测 数 据 和 对 比 数 据 ；（9） 生 成 断 面 侵 限 对 比 分 析 图 ； （10 ）生 成 隧 道 结 构 应 力 监 测 与 预 警 预 报 图 。
关于隧道施工安全监测和风险预警预报技术国 内外学者已做了大量的研究工作， 并进行了大量的 实践，取得了很多经验 。 [1~14] 传统的监测方法是以收 敛计和水准仪监测隧道施工过程中的沉降和围岩收 敛，这种方法对小断面隧道是行之有效的。对于大断 面隧道目前国内外多采用全站仪三维坐标测量来计 算隧道的收敛和沉降，方法可行，技术可靠，也具有 足够的监测精度，监测的时效性也得到了大大提高； 但由于隧道施工现场环境条件复杂性， 监测过程和 监测结果受环境影响较大，监测点密度较小，大量的 地质信息和施工信息丢失， 隧道变形整体可视效果
逐渐增加，并出现不对称变形。 由图 6 可知，隧道开 挖后出现不对称变形，左侧多处侵限。
6 监测数据精度对比与分析
为检查和分析三维激光检测系统的精度结果，
图 6 宝峰隧道三号斜井大里程隧道断面侵限对比分析图 Fig.6 Comparison of the intrusion profiles in the No. 3 inclined shaft of the Baofeng tunnel
第 51 卷第 5 期(总第 358 期) 2014 年 10 月出版 201 Vol . 51 ， No . 5 ， Total . No . 358 Oct . 2014
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
隧道三维点云施工监测技术与应用
比如图 5（图中兰颜色表示隧道右侧收敛值，红颜色 表示隧道左侧收敛值）所示，断面侵限对比分析如图 6 所示。 ，由隧道变形对比分析图可知，宝峰隧道三 号斜井大里程在隧道开挖初期变形量较小， 变形基 本上是对称分布的；随着开挖后时间的增加，变形量
修改稿返回日期： 2014-08-19 基 金 项 目:国 家 科 技 部 “十 一 五 ”科 技 支 撑 项 目 (2006BAJ27B04) ；北 京 市 教 委 科 技 计 划 面 上 项 目 （KM2012108530058 ）. 作者简介： 邓洪亮（1963-），博士，教授级高级工程师，主要从事道路与铁路工程，桥梁与隧道工程检测与监控技术研究，
5 工程应用与对比分析
昆玉铁路宝峰隧道所在区域地层构造为青藏高 原东南缘，是川滇菱形块体、华南块体和临沧-思茅 块体的结合部位， 全隧道 7 377 m 均为富水软弱Ⅴ 级围岩，岩性为砂岩、板岩、灰岩等，地层以不整合接 触为主，极易发生突水突泥事故。地表有水库、铁路、 高速公路等特殊构筑物， 特别是富水条件Ⅴ级围岩 横洞与正洞交叉段喇叭口施工控制难度极高， 在施 工过程中曾多次发生突水突泥事故， 以及隧道周边 膨胀变形等地质灾害。
图 3 隧道监测模型与隧道标准模型对比 Fig.3 Comparison of the tunnel monitoring model and standard
tunnel model
图 4 隧道开挖断面与隧道标准模型对比 Fig.4 Comparison of the tunnel sections and simulated
隧道施工三维点云信息化监测系统自 2014 年 在宝峰隧道开始运用， 主要功能是对监测隧道进行 数据信息采集、点云数据处理、坐标转换、模型对比 分析、变形对比分析和侵限对比分析等。
根据隧道设计文件可以在隧道坐标系中建立隧 道标准模型， 根据监测到的点云数据可以进行隧道 开挖过程与标准模型的对比分析， 确定隧道的开挖 进度、方向和尺寸大小。图 3 为隧道监测模型与标准 模型对比结果，图中彩色部分为已开挖的隧道，颜色 深浅处表示隧道超欠挖的多少和位置， 图 4 表示具 体断面的超欠挖尺寸和大小。
图 2 隧道坐标系统转换几何模型 Fig.2 Geometric model of the tunnel coordinate system
设隧道中线已知点大地坐标为：K1 （x1 ，y1 ）和 K2 （x2 ，y2 ）,已知点 K2 （x2 ，y2 ）的隧道中线里程为 Km+n ， 已知隧道监测控制点大地坐标为 H(XH ，YH ）则
极差[2,5]。 三维激光扫描系统可以密集地大量获取目 标对象的数据点， 三维激光扫描技术也被称为从单 点测量进化到面测量的革命性技术突破 。 [2,5] 本文采 用三维激光扫描技术，通过数年的工程实践，研究并 开发了隧道监测数据分析处理软件， 实现了隧道全 断面变形三维点云监测， 得到了隧道总体变形对比 图、任意断面的净空变形分析图、侵限分析图和拱顶 沉降分析图等，测量方法可靠，数据精度高，测量速 度快，成果信息量大，取得了良好的应用效果。