基于激光扫描的地铁隧道变形测量与分析研究

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1、国内图书分类号：U25密级：公开国际图书分类号：625.1西南交通大学研究生学位论文基于激光扫描的地铁隧道变形测量与分析研究年级二〇一五级姓名刘晓曼申请学位级别工学硕士专业载运工具运用工程指导老师王自力副教授林建辉教授二零一八年五月ClassifiedIndex:U25U.D.C:625.1SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHONMEASUREMENTANDANALYSISOFSUBWAYTUNNELDEFORMATIONBASEDONLAS

2、ERSCANNINGGrade:2015Candidate:LiuXiaomanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:VehicleOperationEngineeringSupervisor:A/Prof.WangZiliProf.LinJianhuiMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要随着我国城市轨道交通的快速发展，地铁线路越来越多，为了保证地铁能够安全稳定地运行，对地铁隧道进行定期的变形监测就变得尤为重要。如今，激

3、光扫描技术在地铁隧道变形监测中是一种高精度、高速率、主动性强的新型检测技术，应用该方法可以弥补传统检测方法的不足。因此，本文采用移动式激光扫描技术进行隧道轮廓的扫描。对于获取的隧道激光扫描数据，如何进行有效地数据处理并应用于实际工程是隧道变形监测的重点。为此，本文主要对隧道激光扫描数据的处理方法和变形分析方法展开研究。论文首先介绍了如何应用移动式激光扫描技术对地铁隧道进行扫描检测，提出利用二维激光扫描仪获取隧道断面数据，并应用无线射频识别定位与测速定位相结合的方法获取隧道断面的定位信息。接着对获取到的隧道激光扫

4、描数据进行预处理，先将隧道断面数据统一转换至隧道坐标系下以方便变形分析时两期点云数据的比对。在预处理过程中，本文在研究原有点云数据分离方法的基础上提出了在点云数据的支撑区域内计算曲率角的方法提取异常点，并随机选取一组隧道断面数据验证了该方法的有效性，可以实现非隧道面数据的分离，然后对隧道面数据进行分段高斯平滑处理。对于预处理后的隧道激光扫描数据，本文首先提出了基于主点的三次B样条曲线插值方法进行隧道断面曲线的插值，通过计算离散点曲率的方式选出参与插值的主点，并提出局部优化算法提高曲线插值精度。然后研究隧道三维轮

5、廓数据控制点反求过程，采用双三次B样条曲面插值进行隧道曲面三维重构。对于变形方法的研究，本文首先结合椭圆拟合的方式提出了整体变形分析方法，然后结合三次B样条曲线和曲面的插值结果，提出了基于最小距离投影法(MinimumDistanceProjection，MDP)的二维断面局部变形分析和三维曲面局部变形分析方法。通过试验数据的验证，整体变形分析方法可以有效地判断隧道区段的收敛性，局部变形分析方法能够判断出隧道具体的收敛、扩张区域和局部变形量大小。其中，基于MDP的曲线局部变形分析误差在2.443mm左右，基于M

6、DP的三维曲面变形分析误差在1.84mm左右，达到预期目标。关键词：激光扫描数据；隧道轮廓；数据分割；三次B样条；变形监测西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractWiththerapiddevelopmentofurbanrailtransitinChina,therearemoreandmoresubwaylines.Inordertoensurethesafeandstableoperationofthesubway,regulardeformationmonitoringofthesubwa

7、ytunnelisbecomingmoreandmoreimportant.Nowadays,laserscanningtechnologyisanewdetectiontechniquewithhighaccuracy,highrateandstronginitiativeinthedeformationmonitoringofsubwaytunnel.Thismethodcanmakeupfortheshortcomingsofthetraditionaldetectionmethod.Therefore,

8、thispaperusesthemobilelaserscanningtechnologytoscanthetunnelcontour.Fortheobtaineddataoftunnellaserscanning,howtoprocessthedataeffectivelyandapplyittotheactualprojectisthekeypointoftunneldeforma