摘 要：本文研究集成激光扫描技术、自动化控制技术、数据库以及仿真技术，获得高精度隧道三维点云数据，开展高精度全覆盖三维变形监测，进行多维度空间解析研究，全方位监控隧道安全，实现地铁监测检测、数据传输及管理的自动化、安全评价的智能化和信息展示及发布的可视化，提高地铁安全监控水平。
关键词：地铁；三维激光；三维可视化；信息管理
目前国外已开始运用三维激光扫描技术对隧道建设质量进行监测检测[1~5]，国内在变形监测领域也就该课题进行了探索研究[2,4]，本文以昆明地铁2#线羊肠村站至司家营站区间为研究对象，结合三维激光扫描技术，对仪器设备选型、作业方式、数据采集及处理、三维建模等技术进行研究，开发建立基于三维激光扫描技术的三维可视化信息管理及评价系统，实现地铁隧道高精度全覆盖变形以及管片开裂、渗水、错台、掉块等监测信息的分析管理，并以图、表、三维模型、正射影像等可视化进行展示和安全评估，指导地铁的安全运行。
1、技术路线
调研国内外三维激光扫描技术发展现状和有关资料[5]，根据国家规范、行业规程要求，结合昆明市地铁施工与运营保护需要，确定监测项目和目的，对仪器设备进行选型，对非制式的辅助设备进行研制，在昆明地铁2#线羊肠村站至司家营站区间实验，针对实际工况，探索快速作业模式，研究空间数据和影像处理方法，建立监测数据库与地铁建筑物三维设计模型有效连接，开发建立三维可视化信息管理及评价系统，满足基于三维模型可视化下的相关监测信息（测点空间信息、仪器设备考证及工作状态信息、监测数据信息及图文报表信息）的管理和展示，实现监测信息的可视化管理、查询和安全评估，解决工程问题。最终确定激光三维扫描在地铁保护领域的关键技术。技术路线如图1所示：
.png)
图1 技术路线
2、三维可视化平台搭建
建立基于三维激光扫描技术的三维可视化信息管理及评价系统，实现地铁隧道高精度全覆盖变形以及管片开裂、渗水、错台、掉块等监测信息的分析管理及可视化展示。此次三维可视化信息管理及评价系统采用微软Microsoft Visual Studio 2013（简称VS2013）作为基础研发平台通过Microsoft Visual C++编程语言进行研发。
VS2013是美国微软公司的开发工具包产品[6,7]。VS是一个较为完整的开发工具集，它包含了整个系统软件生命周期中所需要的大部分工具，如集成开发环境(IDE)、代码管控工具、UML工具等[8,9]。目标代码适用于微软支持的多种平台，包括Microsoft Windows、Windows CE、.NET Framework、Windows Mobile、.Net Core、Microsoft Silverlight和.NET Compact Framework及Windows Phone[10]。
.png)
图2 Microsoft Visual Studio
此外，VS2013包含面向 Windows 开发使用的Visual C++ 5.0、Visual Basic 5.0，面向数据库开发的 Visual FoxPro和面向Java开发的Visual J++[10]，还包含有创建DHTML(Dynamic HTML) 所需要的 Visual InterDev。其中，Visual Basic 和 Visual FoxPro 使用单独的开发环境，其它的开发语言使用统一的开发环境[10]。
Microsoft Visual C++（简称Visual C++）是微软推出的C++开发工具，具有集成开发环境，可提供编辑C语言，C++以及C++/CLI等编程语言，C++是一种面向对象的开发语言[10]。VC++集成了便利的除错工具，集成了微软Windows视窗操作系统应用程序接口（Windows API）、三维动画DirectX API，Microsoft .NET框架[11]。
3、数据处理
（1）点云数据浏览交互
系统将激光点云数据加载到平台，平台支持对海量点云数据的交互浏览包括不同角度不同视场切换、缩放等，数据加载浏览如图3所示。
.png)
图3 羊肠村站至司家营站点云数据加载交互浏览
（2）点云数据加工
扫描后，获得的是以各测站为站心坐标系的三维点云和影像斑云[12]，系统将统一至相同的坐标系下，并分别对点云和影像进行减噪、抽稀、拼接，使之成为下一道工序可用的数据。
.png)
图4 地铁隧道高密度点云数据示意
（3）三维精细化模型重建
系统通过点云数据的抽稀、去噪、过滤[13]等工作后降低冗余、错误数据对建模和检测分析的影响，并通过泊松重建、贪婪三角网等算法建立三角网模型、DEM模型等，系统模型创建功能如图5所示。
.png)
图5 三维精细化模型构建
8、系统功能
项目对如何进行收敛断面分析、生成隧道内壁可量测的正射影像图、生成管环变形分析彩色数值图与隧道正射影像叠加报告、渗水分析彩色数值图、裂缝监测、掉块监测、净空侵界检测等功能开展了研究。
（1）点云对比
根据不同期次点云数据的坐标差异计算隧道变形量，进行隧道变形检测，系统检测功能及运行结果如图6所示。
.png)
图6 不同期次点云对比分析
（2）错台检测及纵切分析
利用相邻环间扫描断面，进行隧道相邻管环的错台检测及纵向剖切断面对比分析，系统错台检测、纵向剖切功能及其运行结果如图7所示。
.png)
图7 错台检测及纵切分析
（3）渗水检测
系统将根据点云数据及同步获取的正射影像生成渗水彩色数值图，找出渗水区域、计算渗水面积、渗水部位里程号等，系统渗水检测功能如图8所示。
.png)
图8 渗水检测分析
（5）裂缝检测
系统根据隧道检测数据中的激光点云数据进行裂缝识别与定位，计算出裂缝长度、宽度、里程号等，裂缝检测功能如图9所示。
.png)
图9 裂缝检测分析
（6）掉块检测
系统对隧道检测数据中的激光点云数据进行掉块识别与定位，计算出掉块区域、面积、里程号等，掉块检测功能如图10所示。
.png)
图10 掉块检测分析
（7）净空侵界检测
系统通过隧道扫描的激光点云数据生成模型后与设计模型、不同期次模型进行叠加对比分析，对净空侵界区域进行识别、定位，对侵界区域进行计算分析，净空侵界检测功能如图11所示。
.png)
图11 净空侵界检测分析
9、结论与展望
本文依托三维激光扫描技术在地铁隧道运营期监测中的应用项目，开发建立了基于三维激光扫描技术的三维可视化信息管理及评价系统，实现了地铁隧道高精度全覆盖变形以及管片开裂、渗水、错台、掉块等监测信息的分析管理，并以图、表、三维模型、正射影像等可视化进行展示和安全评估，指导地铁的安全运行。
基于三维激光扫描技术的三维可视化信息管理及评价系统的研发弥补了国内点云数据处理系统在地铁变形、管片开裂、渗水、错台、掉块等功能分析方面的不足，该系统的研发将使地铁监测检测工作更加的高效、科学、全面，也将提升地铁运营期间的管理水平和层次，将带动地铁行业监测检测技术的发展，具有行业的先进性和引领性，推广价值和市场前景广阔。
参考文献：
[1]魏小佳，黄润秋，裴向军，韩祥森.基于三维激光扫描的隧道变形特征分析[J].水电能源科学，Vol.33 No.2 Feb.2015。
[2]刘燕萍，程效军，贾东峰.基于三维激光扫描的隧道收敛分析[J].工程勘察，2013年第3期。
[3] FEKETE S， DIEDERICHS M， LATO M. Geotechnical andoperational applications for three-dimensional laser scanning in drilland blast tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2010，25(5)：614–628.
[4]陈弘奕，胡晓斌，李崇瑞.地面三维激光扫描技术在变形监测中的应用[J].测绘通报，2014年第12期。
[5] GORDON S，LICHTI D，STEWART M. Application of a highresolution，ground-based laser scanner for deformation measurements[C]// Proceedings of the 10th International FIG Symposium on Deformation Measurements. Orange：[s.n.]，2001：23–32.
[6] (美) Lars Powers, Mike Snell著，刘彦博[等]译. Microsoft Visual Studio 2008 unleashed[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[7] (美) 马歇尔 (Marshall, Donis)著，梁春艳译. Visual Studio 2010并行编程从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2013.
[8] (美) Mickey Gousset, Brian Keller, Martin Woodward著，朱永光，吴慧峰译. Visual Studio 2012应用生命周期管理高级教程[M].北京:清华大学出版社,2014.
[9] (美) Jeff Levinson著，赵卓译. Visual Studio 2010软件测试指南[M].北京:机械工业出版社,2012.
[10]张然等编译. Visual C++ 6.0 编程基础[M].北京: 北京航空航天大学出版社,1999.
[11] YOON J S，SAGONG M，LEE J S，et al. Feature extraction of a concrete tunnel liner from 3D laser scanning data[J]. NDT and E International，2009，42(2)：97–105.
[12] DELALOYE D. Development of a new methodology for measuring deformation in tunnels and shafts with terrestrial laser scanning (LIDAR) using elliptical fitting algorithms[M. S. Thesis][D]. Kingston： Queen’s University，2012.
[13]邓洪亮，陈凯江，朱明岩，邓启华.隧道监控量测三维激光扫描方法与应用研究[J].测绘通报，2012年增刊。