【52监测网】第129期 点云影像融合的隧道检测技术装备与应用
 52监测网专家报告分享-第129期 《点云影像融合的隧道检测技术装备与应用》 任晓春 中铁第一勘察设计院集团有限公司 目录 一、研究背景及技术路线 二、研究内容及关键技术 三、实施方案 四、工程应用 五、总结与展望 内容介绍 一、研究背景及技术线路 研究背景 随着经济的快速发展，我国铁路运营总里程数据不断增加，截至2020年底，中国铁路营业里程达14. 5万km，其中投入运营的铁路隧道共16798座，总长约19630km；在城市轨道交通发展方面，截至2020年底，全国42个城市在建轨道交通里程超5000公里。 随着各种轨道交通隧道与地下工程规模的逐年增加，隧道运营维养需求远超现有维养能力。当前，我国在隧道结构形面测量面临着“测全、测精、判准”三大难题，如何突破全局测全、局部测精的高效和高精度三维测量关键技术，满足铁路、地铁隧道等基础设施安全运维的现实需求变得非常有必要。 铁路隧道常见的衬砌掉块、渗水和裂缝等病害，容易导致列车发生事故；地铁隧道的结构形变、渗水、侵界、掉块和错台等病害严重影响城市轨道交通的安全运营。
众多安全事故的直接或间接原因都是由隧道“结构形变和表观变化”引起的。因此，隧道结构形面“状态测量”是保持轨道交通基础设施安全运维的关键技术之一。 高速铁路、城市轨道交通等重大基础设施运维关系到社会稳定和人民生命财产安全，是国家重大需求。 技术线路
二、研究内容及关键技术 问题一：地铁隧道环境下动态组合测量精度差 地下受限或封闭环境下精确动态位置测量精度差，隧道内GNSS测量失效。 存在的问题：惯导收敛条件苛刻、无GNSS位置输出、复杂环境定位精度低； 苛刻的位置精度要求与高动态、复杂检测环境相矛盾。 问题二：隧道设施点云干扰 隧道内部管线、疏散平台、接触网、电线电缆、电缆支架、附属设施及其他干扰很多，导致从三维点云数据中精确高效提取隧道结构形面特征参数面临难题。
所以从三维点云数据中精确高效提取隧道结构形面特征参数是亟需解决难题 问题三：点云数据缺乏纹理 激光扫描获取的三维点云数据缺少纹理信息。
问题四：隧道结构自动化分析系统 针对地铁隧道结构化参数分析的毫米级精度要求，需要通过建立隧道结构自动化分析系统解决下列问题： 1、如何实现基于参数的隧道形面自动化精准提取？2、如何实现地铁隧道病害智能识别？ ◇ 研究内容一：无GNSS下的铁路隧道动态测量精密定位定姿技术 提出了联合铁路控制网的隧道移动测量精密航位推算方法，攻克了隧道无GNSS条件下的动态精密测量技术难题，将隧道动态测量的绝对精度提高至3-5毫米，并大幅提升了隧道全断面测量的效率，攻克了地下复杂环境下惯性高精度位置与姿态测量技术。
◇ 研究内容二：基于小波分析的隧道点云去噪算法 针对隧道结构形面噪声过多影响隧道结构分析可靠性的难题，提出了基于小波分析的隧道点云去噪方法，通过小波变换实现隧道断面点云数据尺度分割、噪点提取和滤波等过程，解决了隧道附属设施及表面缺陷对测量精度的干扰问题，实现了隧道收敛、变形、错台、侵限等参数的自动提取算法，测量精度优于3mm，解决了隧道结构分析高精度和高可靠性的难题。
提出了基于小波分析的隧道点云去噪算法，提升了隧道结构形面分析精度 ◇ 研究内容三：隧道高分图像和点云的像素级融合配准 由于隧道场景视角的特殊性，提出一种基于隧道点云和图像正射投影算法，将点云和图像通过空间正射投影转换为二维隧道点云图和影像图，再通过标定实现点云灰度图和图像的像素级融合配准。
◇ 研究内容四：隧道三维点云灰度图-深度图正射投影算法 研究基于点云灰度图深度图和高分影像的隧道病害分析与提取方法，高效的解决隧道表面细微病害（0.3mm裂缝、5mm掉块、渗水）等问题，解决了铁路隧道病害快速定位分析提取的难题。
◇ 研究内容五：建立隧道结构参数自动化分析系统 1、基于隧道参数的自动化分析 针对地铁隧道结构化参数分析的毫米级精度要求，研究开发了一套隧道参数自动化分析系统：即经过隧道点云分割后进行自动化分析，实现收敛分析、侵限分析、错台分析、断面分析等多种病害的分析。
实现跨尺度隧道基础设施结构形面毫米级形变参数精确计算 2、基于结构形面的病害智能识别 发明了基于隧道三维点云灰度图、深度图和高分图像的结构形面精准变化检测与典型病害智能识别方法
实现隧道结构形面掉块渗水及亚毫米级裂缝等病害智能分析 三、实施方案 地铁隧道激光图像检测方案 检测平台以电动自行小车为载体平台，集成隧道移动三维激光扫描装置、隧道移动高清影像采集装置于一体。一次采集解决管片收敛、断面分析、错台分析、掉块分析、侵限检测、渗水、细微裂缝（0.2mm）、周期对比、趋势分析等难题。
大数据处理平台 实施流程：外业采集、内业分析（支持24小时内输出数据成果，抢险段支持12小时输出成果）、成果输出（利用自主研发的隧道检测软件进行隧道检测及成果输出，输出成果包括-隧道三维点云、隧道灰度影像图、隧道深度图、隧道收敛直径图、隧道断面分析报告、管片错台分析报告、隧道限界检测、净空分析报告、隧道病害检测报告等）；
四、工程应用 地铁隧道应用 地铁隧道三维扫描已经完成北京、广州、武汉、哈尔滨等10余城市应用，累计完成建设期1000多公里和运营期3000多公里地铁结构形面安全测量应用，病害识别率达95%、内业效率提高5-10倍。
推动了我国地铁隧道结构形面衬砌、裂缝、渗水检测测量技术手段升级 数据成果-隧道成果
推动了地铁隧道安全运维由定点监测到全线普检的转变，国内地铁隧道三维检测实施里程超过3000km 五、总结与展望 随着我国运营地铁隧道线路的不断扩张，大量的传统人工地铁隧道运营检测过程必然被更为高效可靠的新技术手段所取代。现阶段随着新型移动测量技术的快速发展，集成多源传感器，基于高精度时空同步技术和智能数据处理算法实现自动化检测，实现地铁隧道的三维移动测量，形成大数据，充分进行数据挖掘，并将核心技术拓展应用到高铁、普铁、公路隧道三维激光图像检测、引水洞结构病害检测、地下煤矿工作面结构测量等领域，促进隧道激光图像精密检测测量技术向相关行业和领域的渗透。
《点云影像融合的隧道检测技术装备与应用》 任晓春 中铁第一勘察设计院集团有限公司 注：本文仅供个人研学交流，版权归原作者所有，侵权删 |
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