專利名稱：隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地鐵等的隧道形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別涉及一種能夠裝載于隧道中移動(dòng) 載體上的隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地鐵隧道建成以后，特別是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，會(huì)受地面承壓力等周圍環(huán)境、自身勞損等影 響而產(chǎn)生變形。較大的變形預(yù)示著工程災(zāi)害的發(fā)生。工程災(zāi)害的發(fā)生，從形變角度看，是--個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程。預(yù)防的主要手段之一就是對(duì)地鐵隧道形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
目前，國(guó)內(nèi)外常見的地鐵隧道形變監(jiān)測(cè)方法有以下幾種
自動(dòng)化全站儀監(jiān)測(cè)方法，系統(tǒng)由全站儀和遙控終端計(jì)算機(jī)組成，主要用于地鐵工程施工 期間對(duì)區(qū)間地鐵隧道的保護(hù)性監(jiān)測(cè)。全站儀采用可控制、可自動(dòng)搜索目標(biāo)棱鏡的全站型經(jīng)緯
儀，如徠卡TCA1800/2003，用于數(shù)據(jù)采集；遙控終端計(jì)算機(jī)，用于在現(xiàn)場(chǎng)控制全站儀觀測(cè)， 接收觀測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理。該套系統(tǒng)已成功應(yīng)用于新加坡、廣州等地的地鐵施工過(guò)程中。
全站儀配合水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)方法，運(yùn)營(yíng)階段的地鐵隧道，對(duì)于建筑物密集、隧道交錯(cuò)等重要 地段，設(shè)置系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用全站儀測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位置，用水準(zhǔn)儀測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，比 較多次測(cè)量結(jié)果，判定監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否位移。國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道形變監(jiān)測(cè)多用此方法。
電子水平尺監(jiān)測(cè)方法，由美國(guó)推出的一種形變監(jiān)測(cè)儀器，作為機(jī)械量具，用于測(cè)量物體 傾斜兩點(diǎn)間高差。后經(jīng)改進(jìn)，將多個(gè)電子水平尺線性串連，用來(lái)監(jiān)測(cè)物體的線性不均勻沉降。 在上海地鐵l、 2、 3號(hào)線，有二十多個(gè)區(qū)段工程采用了該技術(shù)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)。
攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)方法，利用高精度的數(shù)字化成像設(shè)備，通過(guò)相關(guān)的圖像處理技術(shù)，由2D數(shù) 字化影像恢復(fù)3D坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)比不同時(shí)刻成像的3D坐標(biāo)變化情況而得出監(jiān)測(cè)體的變形情況， 從而達(dá)到對(duì)形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。近景攝影測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)快速獲得形變和移動(dòng)瞬間整體信息， 提供面形變測(cè)量結(jié)果。但是，該方法還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化的階段。其主要原因是①通常的近 景攝影測(cè)量解析方法物方控制點(diǎn)的分布和數(shù)量要求較高，需要常規(guī)的大地測(cè)量技術(shù)連續(xù)支持， 組織復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)條件下難以得到滿足；②對(duì)于噴漿支護(hù)的地下基礎(chǔ)設(shè)施，由于缺乏紋理，影 像匹配難以實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變理論，在隧道內(nèi)安裝拱形應(yīng)力門或光纖光學(xué)感應(yīng)器， 監(jiān)測(cè)隧道斷面形變。通過(guò)拱形門上固定幾個(gè)點(diǎn)的變化分析，確定隧道壁的形變量。該技術(shù)可 以實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，不需停止施工或地鐵運(yùn)行，不需人工干預(yù)，成本較低。但應(yīng)力應(yīng)變模型分 析相對(duì)比較復(fù)雜。收斂系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，美國(guó)SLOPE INDICATOR公司推出的巴賽特收斂系統(tǒng)是一種隧道剖面 收斂自動(dòng)測(cè)量?jī)x器，其主要功能是實(shí)現(xiàn)隧道剖面的自動(dòng)化測(cè)量。功能包括:①記錄隧道或洞室 開挖時(shí)的輪廓變化過(guò)程，與預(yù)測(cè)、理論或設(shè)計(jì)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；②監(jiān)測(cè)由于建筑施工、 滑坡導(dǎo)致的位移，或其它自然干擾所致的變形；③監(jiān)測(cè)建筑物或建筑工地下伏隧道的形變， 以確保其在建筑物施工期間的安全，并以它的安全標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制建筑物的施工速度。在上海地 鐵2號(hào)線施工中，該系統(tǒng)得到有效應(yīng)用。
綜上所述，在地鐵等的隧道形變監(jiān)測(cè)中，上述多種監(jiān)測(cè)方法已得到應(yīng)用，并能取得實(shí)效。 但這些地鐵等的隧道監(jiān)測(cè)方法大都具有點(diǎn)形變或間斷的面形變監(jiān)測(cè)的特征，成果不能實(shí)時(shí)動(dòng) 態(tài)、有效地反映整體(或大范圍)的形變，因此這些方法較適宜在施工現(xiàn)場(chǎng)或者預(yù)測(cè)的易變 形區(qū)域?qū)嵤?，而不適宜對(duì)地鐵等的隧道大范圍、自動(dòng)化、高頻率的整體監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明任務(wù)之一在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，提供一種隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可安裝于隧道中運(yùn)行的移動(dòng)載體上，其硬件構(gòu)成可根據(jù)實(shí)際需要有助于實(shí) 現(xiàn)快速、動(dòng)態(tài)地采集空間數(shù)據(jù)。
本發(fā)明任務(wù)之二在于提供一種隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。
為實(shí)現(xiàn)發(fā)明任務(wù)一，其技術(shù)解決方案是
一種隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其硬件構(gòu)成包括
用于獲取隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的激光掃描儀；
用于獲取隧道剖面的紋理和攝取條形碼信息的CCD相機(jī)；
用于獲取移動(dòng)載體速度的速度計(jì)；
用于獲取移動(dòng)載體姿態(tài)的慣導(dǎo)儀；
中央運(yùn)算控制裝置，可用于對(duì)上述各個(gè)傳感器進(jìn)行硬件同步，存儲(chǔ)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)， 同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的位置、姿態(tài)解算，對(duì)獲取的隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；
條形碼，條形碼布設(shè)在隧道表面CCD相機(jī)可以拍到的地方，條形碼存儲(chǔ)位置信息作為移 動(dòng)載體、各傳感器的位置基準(zhǔn)；
上述激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度儀及慣導(dǎo)儀通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路連接中央運(yùn)算控制裝置。
為實(shí)現(xiàn)發(fā)明任務(wù)二，其技術(shù)解決方案是-
一種隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟
a將激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度計(jì)、慣導(dǎo)儀及中央運(yùn)算控制裝置安裝于在隧道中運(yùn)行的 移動(dòng)載體上；上述激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度儀及慣導(dǎo)儀通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路連接中央運(yùn)算 控制裝置；b在隧道中，沿一側(cè)隧道壁或兩側(cè)隧道壁按設(shè)定距離規(guī)則地設(shè)置條形碼，條形碼存儲(chǔ)位 置信息作為移動(dòng)載體、各傳感器的位置基準(zhǔn)，CCD相機(jī)能夠攝取上述條形碼；
c在歩驟a及b完成后，移動(dòng)載體在隧道中運(yùn)行，與此同時(shí)激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度 計(jì)及慣導(dǎo)儀同歩工作，并將獲取信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給中央運(yùn)算處理裝置。
上述歩驟c中，還包括歩驟
cl中央運(yùn)算控制裝置對(duì)上述各個(gè)傳感器進(jìn)行硬件同步，存儲(chǔ)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn) 行相應(yīng)的位置、姿態(tài)解算，對(duì)獲取的隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
本組發(fā)明具有的有益效果是
特別適用于地鐵隧道的形變監(jiān)測(cè)，地鐵機(jī)車可兼作為移動(dòng)載體，本發(fā)明可設(shè)置在移動(dòng)載 體即地鐵機(jī)車上，車輛運(yùn)行過(guò)程中能夠快速、動(dòng)態(tài)地采集空間數(shù)據(jù)，有助于開展后續(xù)相關(guān)工 作。諸如通過(guò)三維建模和模型重建，進(jìn)行體元形變分析，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)形變過(guò)程的目的。 體元形變分析技術(shù)，能客觀地刻畫三維形變場(chǎng)，使得形變監(jiān)測(cè)過(guò)程具有連續(xù)性，可視性和可 靠性。該系統(tǒng)及方法的應(yīng)用能有效地避免監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)的矛盾，改善監(jiān)測(cè)技術(shù)人員的工作環(huán)境。 同時(shí)，也將拓展形變監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法，為其他地下工程形變監(jiān)測(cè)提供一種新的方法與思路。


圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的主要硬件構(gòu)成示意簡(jiǎn)圖。
圖2為上述實(shí)施方式的一種運(yùn)行過(guò)程及步驟流程框圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明
具體實(shí)施例方式
結(jié)合圖1及圖2， 一種隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)l，其硬件構(gòu)成包括在隧道中行駛的
移動(dòng)載體2、激光掃描儀3、 CCD相機(jī)4、高精度速度計(jì)5、中低精度慣導(dǎo)儀6及中央運(yùn)算控 制裝置7。激光掃描儀3、 CCD相機(jī)4、高精度速度儀5及中低精度慣導(dǎo)儀6通過(guò)信號(hào)傳輸線 路連接中央運(yùn)算控制裝置7。上述硬件構(gòu)成中，還有能為CCD相機(jī)攝取的條形碼8，條形碼8 按設(shè)定距離規(guī)則地設(shè)置在隧道壁上。
上述硬件構(gòu)成中，激光掃描儀用于獲取隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，速度計(jì)用于獲取載體的速度， 慣導(dǎo)儀用于獲取載體的姿態(tài)，利用這些信息將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到大地坐標(biāo)系下，CCD相 機(jī)用于獲取隧道剖面的紋理和攝取條形碼信息。激光掃描儀通過(guò)并口、速度計(jì)和慣導(dǎo)器件通 過(guò)串口、 CCD通過(guò)IEEE 1394接口與中央運(yùn)算控制裝置通信。其中中央運(yùn)算控制裝置用于對(duì)
各個(gè)傳感器進(jìn)行硬件同步，存儲(chǔ)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的位置、姿態(tài)解算，對(duì)獲 取的隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。條形碼布設(shè)在隧道表面CCD相機(jī)可以拍到的地方，條形碼 存儲(chǔ)位置信息從而對(duì)移動(dòng)載體進(jìn)行精確定位，作為隧道運(yùn)動(dòng)載體、各種傳感器的位置基準(zhǔn)，定姿即確定載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的航向、滾動(dòng)以及俯仰等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；定位即確定載體及各傳感器 的空間位置，從而確定激光掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，定姿是為激光點(diǎn)云精確定位的一個(gè)環(huán)節(jié)，定 位定姿在監(jiān)測(cè)中主要是為了確定激光點(diǎn)云的精確位置，通過(guò)不同時(shí)刻對(duì)相同隧道剖面的位置 信息采集，通過(guò)兩次之間的圖像匹配，確定隧道的體變形情況。 一種隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟
將上述激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度計(jì)、慣導(dǎo)儀及中央運(yùn)算控制裝置安裝于在隧道中運(yùn) 行的移動(dòng)載體上；上述激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度儀及慣導(dǎo)儀通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路連接中央 運(yùn)算控制裝置；
在隧道中，沿一側(cè)隧道壁或兩側(cè)隧道壁按設(shè)定距離規(guī)則地設(shè)置條形碼，條形碼存儲(chǔ)位置 信息作為移動(dòng)載體、各傳感器的位置基準(zhǔn)，CCD相機(jī)能夠攝取上述條形碼；
在歩驟a及b完成后，移動(dòng)載體在隧道中運(yùn)行，與此同時(shí)激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度 計(jì)及慣導(dǎo)儀同步工作，并將獲取信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給中央運(yùn)算處理裝置；中央運(yùn)算控制裝置 對(duì)上述各個(gè)傳感器進(jìn)行硬件同步，存儲(chǔ)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的位置、姿態(tài)解算，
對(duì)獲取的隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
上述硬件構(gòu)成及方法可實(shí)施下述運(yùn)行過(guò)程及步驟
建立隧道曲線坐標(biāo)系，設(shè)計(jì)和布設(shè)條形碼，測(cè)定條形碼的曲線坐標(biāo)；進(jìn)行定位、定姿算 法研究，編制條形碼圖像識(shí)別軟件和空間匹配軟件；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化定位、定姿模型、 算法；編制曲線坐標(biāo)系統(tǒng)與國(guó)家地理坐標(biāo)基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換軟件；上述計(jì)算機(jī)中裝載條形碼圖 像識(shí)別軟件和空間匹配軟件，以及裝載曲線坐標(biāo)系統(tǒng)與國(guó)家地理坐標(biāo)基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換軟件。
建立地鐵隧道三維模型，包括建模數(shù)據(jù)重采樣、建模數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征面的提取和三維 模型的建立，并進(jìn)行三維模型序列化與反序列化。
根據(jù)不同時(shí)刻的掃描數(shù)據(jù)，對(duì)同一目標(biāo)建立三維時(shí)變模型。
確定最小形變體元，構(gòu)建三維形變場(chǎng)。
基于三維形變場(chǎng)，采用FFT、小波分析等對(duì)地鐵隧道的形變分析，作出相關(guān)結(jié)論。 上述相應(yīng)部分較為具體的說(shuō)明如下-
上述移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要涉及多傳感器時(shí)空標(biāo)定技術(shù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與管理技術(shù)，
移動(dòng)地理坐標(biāo)框架、系統(tǒng)定位與定姿技術(shù)，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，隧道三維建模與顯示技
術(shù)以及基于體元特征的形變分析理論等。
將激光掃描儀、CCD相機(jī)、高精度速度計(jì)、中低精度慣導(dǎo)等傳感器有機(jī)集成；通過(guò)其配置
的中央運(yùn)算控制裝置，實(shí)現(xiàn)多傳感器的同步及數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)；可采用工業(yè)測(cè)量技術(shù)，
進(jìn)行傳感器之間空間關(guān)系的精確標(biāo)定，構(gòu)建傳感器之間幾何關(guān)系模型。定位與定姿
以地鐵機(jī)車運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榭v軸構(gòu)建曲線坐標(biāo)系，建立曲線坐標(biāo)系與國(guó)家地理坐標(biāo)框架的轉(zhuǎn) 換模型。采用條形碼技術(shù)，配以CCD相機(jī)、高精度速度計(jì)及中低精度慣導(dǎo)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 下的定位與定姿；基于移動(dòng)載體(地鐵機(jī)車)運(yùn)動(dòng)的慣性中心，融合多傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行空 間匹配，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位與定姿。具體為數(shù)據(jù)融合，移動(dòng)載體(地鐵機(jī)車)在正常運(yùn) 行情況下，其慣性中心處于圓曲線變化；基于這一前提，能夠得出條形碼CCD影像數(shù)據(jù)、精
密速度計(jì)數(shù)據(jù)以及中低精度慣導(dǎo)數(shù)據(jù)融合的方法。 條形碼的圖像識(shí)別
基于條形碼在曲線坐標(biāo)系中的位置、系統(tǒng)所攝的條形碼CCD影像，反演CCD相機(jī)曝光瞬 間的系統(tǒng)位置、歷元速度。在條形碼空間數(shù)據(jù)約束下，校正速度計(jì)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后處理連續(xù)定位、定姿。
激光掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理
在以載體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榭v軸的曲線坐標(biāo)系中，基于條形碼空間數(shù)據(jù)和軌道方向特征，融合 CCD影像數(shù)據(jù)、高精度速度計(jì)數(shù)據(jù)和中低精度慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行激光掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理，并建立 掃描數(shù)據(jù)的曲線坐標(biāo)特征。諸如多傳感器集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理模型與算法，包括時(shí)間匹配、 空間數(shù)據(jù)融合、激光掃描數(shù)據(jù)的時(shí)空定標(biāo)，冗余數(shù)據(jù)剔除等。
三維建模與管理
以激光點(diǎn)云主體數(shù)據(jù)與非主體數(shù)據(jù)的分離原則和方法，確定三維建模數(shù)據(jù)重采樣分辨率 選取原則；分析地鐵隧道的空間形態(tài)，研究特征點(diǎn)、特征面的提取技術(shù)與方法；得出三維模 型的序列化與反序列化，實(shí)現(xiàn)三維模型網(wǎng)絡(luò)傳輸、管理與分析。
體元形變分析與形變場(chǎng)
由形變體元描述監(jiān)測(cè)對(duì)象形變的理論與方法，及基于體元的形變分析技術(shù)與最小體元的 確定原則，將體元形變向量、形變矩陣和空間特征，構(gòu)建三維形變場(chǎng)，進(jìn)而得出監(jiān)測(cè)體的形 變規(guī)律。
就上述有關(guān)部分進(jìn)行的一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)例1:
采用SICK291型二維激光掃描儀，其主要指標(biāo)為測(cè)程8m，測(cè)距精度lmm，掃描張角180° ， 線頻率5Hz，每線361點(diǎn)。采用自制里程計(jì)，靈敏度O. lmm。模擬試驗(yàn)選取井下30米隧道作 為試驗(yàn)場(chǎng)。
將SICK291型二維激光掃描儀固定于礦車上，人力推動(dòng)礦車，隨著礦車的運(yùn)行，掃描儀 對(duì)巷道面進(jìn)行掃描；掃描儀與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。掃描儀位置由與礦車車 輪同歩的里程計(jì)獲得，確定初始位置后，里程計(jì)可以記錄掃描儀實(shí)時(shí)所在的位置。通過(guò)預(yù)研，得到以下初步結(jié)論
對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行100次重復(fù)掃描。因操作等原因，其中2次數(shù)據(jù)不可用，可用于巷道三維 建模的數(shù)據(jù)為98次。建立井下坐標(biāo)系，以初始點(diǎn)為原點(diǎn)，以軌道方向?yàn)閅軸，側(cè)向垂直于軌 道方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閆軸，構(gòu)成左手系。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理和坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換，以50次掃描結(jié)果得到的礦井巷道面三維模型為基準(zhǔn)，將另外48次掃描數(shù)據(jù)分別分 成6組(8次一組)和3組(16次一組)，對(duì)每組分別建立三維模型，與基準(zhǔn)巷道面進(jìn)行重復(fù) 性分析。結(jié)果顯示，8次組的偏差中誤差最大值為6.2mm，平均值為4. 8ram; 16次組的偏差中 誤差最大值為4. 5mra，平均值為4. 3mm。
就上述有關(guān)部分進(jìn)行的另一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)例2:
采用180° SICK掃描儀，型號(hào)為L(zhǎng)MS200，線釆樣率達(dá)到76線/秒，采樣精度能達(dá)到lmra， 最小可分辨形變量為3mm，故可以達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。利用地鐵已有的地理坐標(biāo)系統(tǒng)和軌道信息， 同時(shí)將隧道視作空間形狀拓?fù)洳蛔兞窟M(jìn)行一定的變換。
采用地鐵機(jī)車作為移動(dòng)載體，每天掃描數(shù)十次，采用每天的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面建模，形 成體；隔天(或隔數(shù)天)將兩個(gè)模型進(jìn)行空間配準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)被測(cè)對(duì)象的體變形量。采用數(shù)十次 掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面建模，既增加了點(diǎn)云密度，又提高了模型精度。特別是體元形變分析，其 精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單點(diǎn)監(jiān)測(cè)精度。
采用曲線坐標(biāo)系，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向與坐標(biāo)縱軸一致，使得航向姿態(tài)誤差對(duì)于建模的影 響為一固定值，不影響形變分析。
地鐵隧道一般為拱形構(gòu)筑物，我們所關(guān)心的是與載體運(yùn)動(dòng)方向平行的立面墻體的向內(nèi)形 變。載體在一定速度下慣性中心處于圓曲線變化，俯仰角誤差的影響所導(dǎo)致的掃描點(diǎn)僅在縱 軸方向上錯(cuò)位。當(dāng)俯仰角誤差小于0.5。時(shí)，對(duì)于一般地鐵隧道，錯(cuò)位小于3cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一 次掃描點(diǎn)間距；掃描距離誤差影響小于0.2mm，小于掃描距離精度。因此，俯仰角誤差對(duì)于 建模的影響可以忽略。橫滾角誤差的影響所導(dǎo)致的掃描點(diǎn)僅在豎軸軸方向上錯(cuò)位，影響量與 俯仰角誤差相同。
設(shè)計(jì)條形碼之間的間距為500m，若地鐵機(jī)車行進(jìn)速度為70km/h,行駛500m需要26s。在 條形碼數(shù)據(jù)空間約束下的高精度速度計(jì)數(shù)據(jù)與中低精度慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的融合后精度，可以達(dá)到上 述要求。
本發(fā)明可用于地鐵隧道、礦山巷道等地下工程及設(shè)施。
權(quán)利要求
1、一種隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特征是其硬件構(gòu)成包括用于獲取隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的激光掃描儀；用于獲取隧道剖面的紋理和攝取條形碼信息的CCD相機(jī)；用于獲取移動(dòng)載體速度的速度計(jì)；用于獲取移動(dòng)載體姿態(tài)的慣導(dǎo)儀；中央運(yùn)算控制裝置，可用于對(duì)上述各個(gè)傳感器進(jìn)行硬件同步，存儲(chǔ)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的位置、姿態(tài)解算，對(duì)獲取的隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；條形碼，條形碼布設(shè)在隧道表面CCD相機(jī)可以拍到的地方，條形碼存儲(chǔ)位置信息作為移動(dòng)載體、各傳感器的位置基準(zhǔn)；所述激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度儀及慣導(dǎo)儀通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路連接中央運(yùn)算控制裝置。
2、 一種隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，特征是包括如下步驟a將激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度計(jì)、慣導(dǎo)儀及中央運(yùn)算控制裝置安裝于在隧道中運(yùn)行的 移動(dòng)載體上；上述激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度儀及慣導(dǎo)儀通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路連接中央運(yùn)算 控制裝置；b在隧道中，沿一側(cè)隧道壁或兩側(cè)隧道壁按設(shè)定距離規(guī)則地設(shè)置條形碼，條形碼存儲(chǔ)位 置信息作為移動(dòng)載體、各傳感器的位置基準(zhǔn)，CCD相機(jī)能夠攝取上述條形碼；c在步驟a及b完成后，移動(dòng)載體在隧道中運(yùn)行，與此同時(shí)激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度 計(jì)及慣導(dǎo)儀同步工作，并將獲取信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給中央運(yùn)算處理裝置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述步驟c中還包括步驟cl中央運(yùn)算控制裝置對(duì)上述各個(gè)傳感器進(jìn)行硬件同步，存儲(chǔ)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的位置、姿態(tài)解算，對(duì)獲取的隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
全文摘要
本組發(fā)明公開隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法，硬件構(gòu)成包括激光掃描儀、CCD相機(jī)、速度計(jì)、慣導(dǎo)儀、中央控制裝置及條形碼；中央運(yùn)算控制裝置對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行硬件同步，存儲(chǔ)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的位置、姿態(tài)解算，對(duì)獲取的隧道剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；條形碼布設(shè)在隧道表面CCD相機(jī)可以拍到的地方，條形碼存儲(chǔ)位置信息作為移動(dòng)載體、各傳感器的位置基準(zhǔn)。本組發(fā)明隧道體元形變移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成可有助于實(shí)現(xiàn)快速、動(dòng)態(tài)地采集空間數(shù)據(jù)，并可進(jìn)一步通過(guò)三維建模和模型重建，進(jìn)行體元形變分析，從而可連續(xù)監(jiān)測(cè)形變過(guò)程。
文檔編號(hào)G01C7/06GK101408410SQ20081015828
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者劉鳳英, 盧秀山, 銳 宋, 林 柳, 獨(dú)知行, 冬 王, 波 石, 許君一, 鄭作亞, 韓曉冬 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)