移动式三维激光扫描在地铁信息化维保中的关键技术研究
【成果名称】移动式三维激光扫描在地铁信息化维保中的关键技术研究
【完成单位】杭州杭港地铁有限公司
【鉴定/评价日期】2020-12-13
【被鉴定/评价的水平】国际先进
【成果内容简介】
本项目通过研究移动式三维激光扫描技术，获取丰富全面的隧道检测数据，同时大幅度减轻外业检测人员的工作强度，成倍提升外业检测效率，节省大量人力、物力开支，避免检测与运营的矛盾，配合高精度惯性导航系统实现隧道真三维检测（轨道沉降、水平位移及隧道中轴线测量）。基于移动式三维激光扫描技术获取的数据成果开发一套隧道检测成果信息化管理系统，进行地铁隧道的全面维保管理，探索出更先进的管理模式，使运营地铁维保管理更精细化，效率更高。本项目重点研究以下几方面内容：
（1）基于移动式三维激光扫描技术的隧道水平位移、沉降变形及隧道中轴线测量技术研究；
（2）改进基于移动式三维激光扫描技术进行接触网高度检测的方法；
（3）基于深度学习的隧道环缝识别方法研究；
（4）基于移动式三维激光扫描技术的检测功能研究及评估；
（5）隧道检测成果信息化管理系统建设；
（6）基于轨道的移动式三维激光扫描技术作业流程标准化研究。
围绕以上研究内容，共申请专利5项，其中发明专利4项；发表论文10篇，其中SCI2篇，核心2篇，在审2篇；申请软著权1项，编制内外业作业手册2本。
主要研究成果如下：
(1) 研究了移动三维激光扫描配合惯导系统进行定位定姿的方法。
扫描过程中通过基于LiDAR控制点绝对坐标基准传递高精度定位定姿方法，并对扫描仪的姿态角（滚动角、俯仰角）进行校正，提升了扫描系统的综合测量精度；后处理时在点云中拾取LiDAR靶标中心，赋予全站仪测得的坐标值，对IMU/里程计模型的累积误差进行修正；最后通过实地测试场验证，基于移动式三维激光扫描系统配合惯导技术可进行隧道的水平位移和沉降监测：隧道在水平方向（x轴方向）保持不变，该方向的精度比较稳定，基本保持在±0.76mm左右；沿隧道中轴线方向（y轴）由于航向角无法修正，存在系统性误差，整体在±9mm左右；隧道在竖直方向（z轴方向）不断变化，其方向中误差随着靶标约束间距增大而增大，该方向测量精度最优，可达±0.72mm。
(2) 改进了基于移动式三维激光扫描技术进行接触网高度检测的方法。
通过对当前接触网高度检测技术的分析，研究了基于三维激光扫描技术的接触网高度检测方法中点云模型构建、点云坐标系统、接触网高度获取方式以及当前存在的问题；通过在扫描仪底部增加倾斜组件来改变激光脚点入射角提升接触网高度检测精度；最后通过实验验证该解决策略切实可行，精度在±3mm以内，可用于导高测量。
(3) 提出了一种基于深度学习的隧道环缝识别方法。
基于移动三维激光扫描技术获取隧道内衬表面的全景正射影像图，先框选，然后采用无监督的k-means聚类算法提高训练模型的最终准确度，最后采用卷积神经网络YOLO V3训练，获取权重文件，识别了隧道环缝。
(4) 开展了基于移动式三维激光扫描技术的隧道信息挖掘，并进行精度评估。
移动式三维激光扫描技术进行隧道收敛变形检测外符合精度±3mm，内符合精度±2mm，可用于隧道的收敛变形检测，且测量精度均匀可靠；进行限界测量，精度在±4mm以内，可满足限界检测要求；可识别湿迹、管片破损、掉块、麻面等表观病害情况，对于裂缝，受裂缝表观影响较大，可识别有湿迹的裂缝；可进行错台检测，测量精度在±3mm以内，对于两腰及以上检测精度优于两腰以下，相对于传统错台检测方法更为全面；采用基于连续断面拟合法提取隧道中轴线技术，对不同期次点云数据进行处理，其中轴线测量的平面位置精度达到±5mm以内，高程精度达到±0.83mm，并且基于隧道中轴线三维坐标可生成隧道中轴线平面位置图和纵断面图。
(5) 建设了地铁隧道健康检测成果信息化管理系统。
基于移动式三维激光扫描系统可提供丰富的检测成果的数据量大、后期调用效率低、成果数据之间呈现信息孤岛现象，不利于管理部门对隧道健康状况作出准确的决策和评估的问题，开发了一套地铁隧道健康检测成果信息化管理系统，对调查成果进行有效管理，实现数据之间的有效融合以及检测成果的在线查看，为隧道建立全寿命周期的数字化、信息化档案提供了很好的平台。
(6) 建立了基于轨道的移动式三维激光扫描技术作业标准化流程。
研究移动式三维激光扫描系统的地铁隧道健康检测方法，并形成完整、系统的外业采集和内业数据处理流程，编制成标准化手册。
【成果前景介绍】
（1）提高地铁隧道结构长期安全运营的可靠性，避免地下交通设施因老化和环境作用等发生重大事故。
本课题研究成果可用于包括管片收敛、管片错台、渗漏水、管片破损在内的大部分隧道病害检测以及限界检测和接触网高度检测，并且相对于传统检测手段作业效率大幅提高，能够短时间内完成检测工作，及时发现地铁隧道中存在的病害，为地铁隧道检测养护提供可靠地依据。因此，本课题研究成果能够提高地铁隧道结构长期安全运营的可靠性，避免地下交通设施因老化和环境作用等发生重大事故。
（2）为地铁隧道安全检测领域提供了新技术，同时做出了新的探索。
目前地铁隧道安全检测大多数使用传统的测量方法，比如采用水准仪检测隧道沉降、全站仪测量隧道收敛、游标卡尺测量错台等等。这些传统的检测方式除了检测效率低、所需人力物力较多之外，不同的检测项目之间可能存在冲突，不方便同时进行作业。本课题为地铁隧道安全检测领域提供了新技术，移动三维激光扫描系统因其独特的测量方式，所得测量数据可用于多种病害检测，即可减少检测工作所需人力物力，又避免了不同检测项目之间的冲突。
同时，本课题对移动式三维激光扫描系统获取的数据也进行了更深层次的挖掘和利用，在自动化识别隧道病害的方向积极探索，进一步提高检测效率的同时，减轻了工作人员的负担。
（3）建立标准化的隧道病害检测流程，指导作业人员规范作业，提升我省乃至全国的城市轨道交通病害检测技术水平。
移动三维激光扫描作为隧道监测领域新兴的技术，目前没有系统成熟的作业方法，行业里也没有相关的规范和标准参考，且三维扫描后处理流程繁琐、数据量大、成果多，对于该技术的应用和发展有严重阻碍，本课题通过对项目实施过程中所需要注意的细节以及流程化的步骤进行总结归纳，形成适用于隧道病害检测的标准化作业手册，指导作业人员规范作业，并为行业内同类技术提供参考。形成了技术领先的三维激光扫描病害检测体系，提升我省乃至全国的城市轨道交通病害检测技术水平。
（4）地铁隧道检测成果信息化管理系统极大简化病害成果管理方式，提高病害管理效率。
由于地铁隧道线路长，病害种类繁多，因此采用传统纸质资料管理的方式不仅需要大量的纸张和存储空间，不但不方便查阅，还极易产生混乱甚至遗失。本课题开发的地铁隧道检测成果信息化管理系统采用线上管理的方式，在降低存储成本的同时，可以更加方便的对病害信息进行管理和查看。
本系统通过把病害检测成果与隧道高清影像相结合，可以方便直观的查看各类病害大小及范围，通过与往期扫描数据的同步对比，直观查看病害的变化趋势，方便地铁运营公司及时做出相应措施。