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1、(10)申请公布号 CN 103852025 A (43)申请公布日 2014.06.11 CN 103852025 A (21)申请号 201410102708.8 (22)申请日 2014.03.19 G01B 11/16(2006.01) (71)申请人 北京工业大学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园 100 号 (72)发明人 马国伟 董茜茜 (74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203 代理人 张慧 (54) 发明名称 利用 3D 激光扫描技术监测铁轨下卧层纵向 形变的方法 (57) 摘要 本发明涉及一种利用 3D 激光扫描技术监测 铁轨下卧层纵向形变的。
2、方法， 属于遥感监测或测 绘测绘技术领域， 其具体包括以下步骤 ： 安装固 定 3D 激光扫描设备， 铺设不动 ； 列车开动， 接收 信号， 快速扫描 ； 确定参照目标反射中心 ； 数据预 处理与拼接 ； 提取中轴线， 比较纵断面形变量 ； 分 析、 比较、 预警。该方法适用于城轨隧道线路等地 下建筑结构的空间数据采集， 并快速检测使地铁 运行过程中对铁轨下卧层纵向变形量， 同时对产 生的变形量提供预警。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号。
3、 CN 103852025 A CN 103852025 A 1/1 页 2 1. 一种利用 3D 激光扫描技术监测铁轨下卧层纵向形变的方法， 其特征在于 ： 监测方法 具体步骤如下 ： （1） 首先在铁轨路面相邻枕木之间， 每隔 30m 铺设 2-3 个边长 5cm 的正立方反射体， 用 于校正， 且确保这些反射体在整个监测过程中固定不动 ； （2） 在地铁列车上设置固定点， 安装支架， 把移动式 3D 激光扫描仪放置在支架上， 用螺 栓固定， 刻度标记， 安置扫描仪对准刻度 ； 连接计算机、 电源、 相机这些设备， 开始采集数据， 采集的数据包括全范围粗扫数据、 监测区域精扫数据、 追踪目。
4、标精扫数据以及校正反射体 精扫数据 ； （3） 确定参照目标反射中心 ： 由于参照目标反射体点云强度高， 根据点云分布的几何特 征确定参照目标反射中心 ； 其数据配准的原理是以第一期数据， 即 3D 激光扫描仪首次扫描 时的仪器自身坐标系作为工程坐标系， 以后所有期的数据都是以第一次数据即第一期数据 为基准进行配准， 融入该工程坐标系 ； （4） 数据预处理与拼接 ： 数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影像数 据进行预处理， 通过数据滤波将噪声数据剔除， 如果认为所采集到的点云数据或者局部数 据相对于工程本身过于密集， 还可以对数据进行抽隙处理 ； 而数据拼接即数据配准的方法 实质。
5、是以校正反射片为公共点的数据拼接 ； （5） 提取铁轨下卧层中轴线， 通过截取纵断面比较形变量 ： 通过计算机拟合一条用来表 示隧道的姿态的空间曲线即中轴线来选取截断面， 测定截断面处的纵断面空间姿态信息， 通过比较纵断面空间姿态信息得到地铁隧道的形变量， 通过形变量显示监测结果 ； （6） 比较不同时间序列下该形变量的变化情况， 读取所需数据， 分析目标情况 ； （7） 安全状况判断并提出预警或报警。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于 ： 所述 3D 激光扫描仪安装设置在地铁列车 车身或车尾。 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于 ： 所述步骤 （7） 具体包括以。
6、下步骤 ： 将整个 隧道施工状态相应的分为安全状态、 预警状态和报警状态， 当监测数据小于预警值时， 工程 处于安全状态 ； 当监测数据超过预警值而小于报警值时这一区域时， 工程处于预警状态， 该 区域作为提醒工程管理单位的缓冲区， 提醒工程管理单位应该对数据进行重视， 同时在可 能的条件下采取措施， 防止数据继续变化， 避免进入报警区域 ； 当监测数据超过报警值时， 工程就进入报警区域， 而一旦数据进入报警区域后， 即表示该数据己经处于危险状态， 必须 采取措施以保证工程安全。 4. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征在于 ： 取形变量警戒控制值的 50% 作为预警值， 取警戒控制值的 。
7、80% 作为报警值。 权 利 要 求 书 CN 103852025 A 2 1/4 页 3 利用 3D 激光扫描技术监测铁轨下卧层纵向形变的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种利用 3D 激光扫描技术监测铁轨下卧层纵向形变的方法， 属于遥 感监测或测绘测绘技术领域。 背景技术 0002 随着城市地下空间的体量和复杂性， 城市地下空间的整体安全也越来越引人注 目， 如大范围的沉降、 坍塌， 这就形成了一种恶性循环。地铁隧道是一类狭长的线状地下建 筑物， 常规的隧道变形监测方法需多名监测人员 , 其特点是监测项目多、 线路长、 测点多、 观测频繁和数据量大 , 给监测数据处理、 分析和资料管理。
8、带来了繁琐的工作 , 以手工为主 作业模式导致效率低下 , 不能及时快速地反馈监测信息。在运行的隧道中进行监测更是困 难 , 主要是因为运行间隔很短 , 测量人员进入隧道工作非常危险。要打消公众 “步步惊心， 处处陷阱” 的担忧， 政府公共管理部门更应该提高警惕， 及早预防。 以北京为例， 目前北京地 铁形成 “三环、 四横、 五纵、 八放射” 的线网格局， 北京作为国家首都和首善之区， 政治稳定和 社会和谐等要求更为突出， 一旦发生重大安全风险事故 , 影响面广， 损失巨大。 0003 目前， 对 3D 激光扫描仪的应用还主要集中在地形测绘、 构建 3D 模型、 文物保护和 3D场景再现等方。
9、面， 在变形监测领域的应用还处于探索阶段。 近年来， 国内外学者做了一些 相关研究， 如同济大学刘国彬研发的 “隧道远程监控管理系统” 是 “地铁工程远程监控管理 系统” 的一个重要组成部分。系统采用自动和人工的方式采集施工信息。通过辅助决策系 统采集到的监测数据进行整理、 分析,进而通过图表、 曲线等方式给出数据的分析结果,通 过这些结果来分析工程是否处于安全状态 , 以及其发展的趋势。日本地震是灾害频发区， 2005 年专家运用 3D 激光扫描仪系统参与灾害评估。2009 年， 西班牙在对某岩体崩塌的监 测中， 采用地面型 3D 激光扫描仪成功预测岩体的崩塌， 分析得到岩体破坏前的可靠形变。
10、值 达到毫米级程度。2010 年， 三峡库区地质灾害重点实验室与武汉大学测绘学院在室内滑坡 模型试验的基础上， 对三峡库区某滑坡的其中一块进行了两期数据的扫描比较， 采用重心 法处理方式得到了理想的测量结果， 研究结果表明了利用地面 3D 激光扫描技术获取滑坡 表面的变形是可行的， 能达到很好的精度， 可以满足临滑预报的要求。 尽管国内外在隧道变 形监测技术方面进行了大量的研究， 尤其是美国等发达国家已成功开发出巴赛特隧道剖面 收敛变形监测系统等等， 但我国在地铁隧道方面的研究依然滞后， 已有的监测技术和仪器 只适用于施工过程中的局部变形监测， 在运营期间的隧道全线的长期变形自动监测方面尚 属。
11、空白， 还需进一步研究。 发明内容 0004 针对地铁每日人流量大， 地铁停运获取实验数据不现实以及对铁轨下卧层在长期 荷载作用下发生的形变测量困难的问题， 本发明提出了一种利用 3D 激光扫描技术监测铁 轨下卧层纵向形变的方法。该方法适用于城轨隧道线路等地下建筑结构的空间数据采集， 并快速检测使地铁运行过程中对铁轨下卧层纵向变形量， 同时对产生的变形量提供预警。 说 明 书 CN 103852025 A 3 2/4 页 4 0005 本发明的技术方案如下 ： 0006 一种利用 3D 激光扫描技术监测铁轨下卧层纵向形变的方法， 监测方法具体步骤 如下 ： 0007 （1） 首先在铁轨路面相邻。
12、枕木之间， 每隔 30m 铺设 2-3 个边长 5cm 的正立方反射 体， 用于校正， 且确保这些反射体在整个监测过程中固定不动 ； 0008 （2） 在地铁列车上设置固定点， 安装支架， 把移动式 3D 激光扫描仪放置在支架上， 用螺栓固定， 刻度标记， 安置扫描仪对准刻度 ； 连接计算机、 电源、 相机这些设备， 开始采集 数据， 采集的数据包括全范围粗扫数据、 监测区域精扫数据、 追踪目标精扫数据以及校正反 射体精扫数据 ； 0009 （3） 确定参照目标反射中心 ： 由于参照目标反射体点云强度高， 根据点云分布的几 何特征确定参照目标反射中心 ； 其数据配准的原理是以第一期数据， 即 。
13、3D 激光扫描仪首次 扫描时的仪器自身坐标系作为工程坐标系， 以后所有期的数据都是以第一次数据即第一期 数据为基准进行配准， 融入该工程坐标系 ； 0010 （4） 数据预处理与拼接 ： 数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影 像数据进行预处理， 通过数据滤波将噪声数据剔除， 如果认为所采集到的点云数据或者局 部数据相对于工程本身过于密集， 还可以对数据进行抽隙处理 ； 而数据拼接即数据配准的 方法实质是以校正反射片为公共点的数据拼接 ； 0011 （5） 提取铁轨下卧层中轴线， 通过截取纵断面比较形变量 ： 通过计算机拟合一条用 来表示隧道的姿态的空间曲线即中轴线来选取截断面， 测。
14、定截断面处的纵断面空间姿态信 息， 通过比较纵断面空间姿态信息得到地铁隧道的形变量， 通过形变量显示监测结果 ； 0012 （6） 比较不同时间序列下该形变量的变化情况， 读取所需数据， 分析目标情况 ； 0013 （7） 安全状况判断并提出预警或报警。 0014 其中， 所述 3D 激光扫描仪安装设置在地铁列车车身或车尾。 0015 其中， 所述步骤 （7） 具体包括以下步骤 ： 将整个隧道施工状态相应的分为安全状 态、 预警状态和报警状态， 当监测数据小于预警值时， 工程处于安全状态 ； 当监测数据超过 预警值而小于报警值时这一区域时， 工程处于预警状态， 该区域作为提醒工程管理单位的 缓。
15、冲区， 提醒工程管理单位应该对数据进行重视， 同时在可能的条件下采取措施， 防止数据 继续变化， 避免进入报警区域 ； 当监测数据超过报警值时， 工程就进入报警区域， 而一旦数 据进入报警区域后， 即表示该数据己经处于危险状态， 必须采取措施以保证工程安全。 0016 进一步地， 取形变量警戒控制值的50%作为预警值， 取警戒控制值的80%作为报警 值。 0017 有益效果 ： 该方法具有以下优点 ： 0018 1、 本发明提出的一种 3D 激光扫描仪快速监测地铁的长期震动荷载对铁轨下卧层 形变量的方法， 该设备技术先进， 列车在行驶过程中能实时进行扫描， 针对地铁每日人流量 大， 让地铁停运。
16、来进行实验数据的取得不够现实， 所以该方法即快速准确又安全可靠， 可行 性高， 维护运行简单。 0019 2、 本发明提出的一种车载式 3D 激光扫描仪快速监测铁轨下卧层形变的方法及系 统， 即实现数据现场处理， 立即反馈的目标。 采用沉降量来表征地面断面情况， 比较直观， 针 对局部变形量较大的地方单独进行维护并建立安全沉降区间来评价地铁运行安全性。 说 明 书 CN 103852025 A 4 3/4 页 5 0020 3、 本发明可以通过安全沉降区间来建立预警机制， 为地铁列车提供预警系统， 保 障列车安全运行。 附图说明 0021 图 1 为运用车载式 3D 激光扫描仪快速监测铁轨下卧。
17、层在长期震动荷载下产生形 变量的方法示意图 ； 0022 图 2 为运用车载式 3D 激光扫描仪快速监测铁轨下卧层形变的方法流程图 ； 0023 图 3 为安全状况判断程序图。 0024 其中 ： 1、 铁轨 2、 反射片 3、 支架 4、 地铁列车 5、 计算机 6、 3D 激光扫描仪 具体实施方式 0025 下面结合附图 1-3 对本发明的利用 3D 激光扫描技术监测铁轨下卧层纵向形变的 方法做进一步说明， 步骤如下 ： 0026 （1） 首先在铁轨 1 路面相邻枕木之间， 每隔 30m 铺设 2-3 个边长 5cm 的正立方反射 体 2， 用于校正， 且确保这些反射体 2 在整个监测过程。
18、中固定不动 ； 0027 （2） 在地铁列车 4 车身或车尾上设置固定点， 安装支架 3， 把移动式 3D 激光扫描仪 6 放置在支架 3 上， 用螺栓固定， 刻度标记， 安置扫描仪对准刻度 ； 连接计算机 5、 电源、 相机 这些设备， 开始采集数据， 采集的数据包括全范围粗扫数据、 监测区域精扫数据、 追踪目标 精扫数据以及校正反射体精扫数据 ； 0028 （3） 确定参照目标反射中心 ： 由于参照目标反射体点云强度高， 根据点云分布的几 何特征确定参照目标反射中心 ； 其数据配准的原理是以第一期数据， 即 3D 激光扫描仪 6 首 次扫描时的仪器自身坐标系作为工程坐标系， 以后所有期的数。
19、据都是以第一次数据即第一 期数据为基准进行配准， 融入该工程坐标系 ； 0029 （4） 数据预处理与拼接 ： 数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影 像数据进行预处理， 如小波分析等处理方式， 通过数据滤波将噪声数据剔除， 如果认为所采 集到的点云数据或者局部数据相对于工程本身过于密集， 还可以对数据进行抽隙处理 ； 而 数据拼接即数据配准的方法实质是以校正反射片 2 为公共点的数据拼接 ； 0030 （5） 提取铁轨 1 下卧层中轴线， 通过截取纵断面比较形变量 ： 通过计算机 5 拟合一 条用来表示隧道的姿态的空间曲线即中轴线来选取截断面， 测定截断面处的纵断面空间姿 态信息，。
20、 通过比较纵断面空间姿态信息得到地铁 1 隧道的形变量， 通过形变量显示监测结 果 ； 0031 （6） 比较不同时间序列下该形变量的变化情况， 读取所需数据， 分析目标情况 ； 0032 （7） 安全状况判断并提出预警或报警 ： 取形变量警戒控制值的 50% 作为预警值， 取 警戒控制值的 80% 作为报警值， 将整个隧道施工状态相应的分为安全状态、 预警状态和报 警状态， 当监测数据小于预警值时， 工程处于安全状态 ； 当监测数据超过预警值而小于报警 值时这一区域时， 工程处于预警状态， 该区域作为提醒工程管理单位的缓冲区， 提醒工程管 理单位应该对数据进行重视， 同时在可能的条件下采取措施， 防止数据继续变化， 避免进入 报警区域 ； 当监测数据超过报警值时， 工程就进入报警区域， 而一旦数据进入报警区域后， 即表示该数据己经处于危险状态， 必须采取措施以保证工程安全。 说 明 书 CN 103852025 A 5 4/4 页 6 0033 以上为本发明的一典型实施例， 本发明的实施不限于此。 说 明 书 CN 103852025 A 6 1/3 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103852025 A 7 2/3 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103852025 A 8 3/3 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103852025 A 9 。