一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法

摘要

本发明公开了一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法，该方法包括隧道内安装并级联多台激光扫描仪，对隧道多个横向截面和纵向截面进行自动实时采样；通过系统误差修正算法去除机械抖动、激光器固有误差和施工人员及设施影响，获得准确的隧道截面曲线；通过曲线匹配算法，将截面曲线与基准曲线采用可配置窗口滑动比对，判断隧道内是否发生掉块、沉降以及收敛等隧道形变现象；通过位置聚类算法，计算出隧道三维模型内掉块、沉降及收敛等形变的位置及其面积。

权利要求

1.一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法,其特征在于:包括以下步骤：S1将多台激光扫描仪以一定间距安装在隧道内壁或者隧道侧面底部，实时测量多个隧道横向截面和多段隧道纵向截面，多台激光扫描仪通过光电复合线缆级联方式相连接，能同时运行；

S2所述激光扫描仪通过自动旋转结构，对横向和纵向截面进行自动多点可配置采样；

S3使用系统误差修正算法去除机械抖动和激光器固有误差，以及隧道中施工人员、施工车辆快速移动物体造成的影响，从而获得修正后的隧道扫描数据，针对机械抖动以及隧道中施工人员、施工车辆快速移动物体造成的影响，所述系统误差修正算法利用异常检测算法对测量数据进行处理，判断出异常数据并修正；

S4通过截面曲线匹配算法，将截面曲线与基准截面曲线采用不同大小的窗口滑动比对，判断隧道内是否发生掉块、沉降以及收敛现象，并对多期采集的截面曲线综合分析，判断隧道掉块、沉降以及收敛随时间呈现的趋势，所述截面曲线匹配算法首先对待分析隧道截面曲线和基准截面曲线的数据进行系统误差修正，将待分析隧道截面曲线与基准截面曲线按坐标点进行差值运算，采用不同的窗口滑动进行比对，窗口宽度能自由设置，滑窗移动步长能自由选择，根据比对指标与给定阈值的关系，判断是否发生掉块、沉降以及收敛现象和危害程度；

S5将横向截面和纵向截面曲线重建隧道三维模型，通过位置匹配算法，计算出隧道内掉块、沉降以及收敛形变位置及其面积，所述激光扫描仪配置振动传感器，通过感应振动判断激光扫描仪在使用过程中的异常移动，当发生异常移动则自动校正并更新基准截面曲线，实现自检功能。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述激光扫描仪是单激光扫描仪或者多激光扫描仪。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，异常处理算法采用RANSAC算法过滤异常数据，采用多项式曲线拟合不同截面曲线，利用误差最小化算法计算抖动参数，修正数据；

针对激光器固有误差导致的数据缺失情况，利用插值算法进行处理，补全数据。

4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，选取任意时刻截面曲线作为基准截面曲线，截面曲线处理在球坐标下或者将球坐标转换为笛卡尔坐标下实现。

5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述截面曲线匹配算法最终给出是否发生掉块、沉降、收敛现象，以及危害的范围区间、危害等级。

6.根据权利要求5所述监测方法，其特征在于，所述滑窗移动步长的长度为1。

7.根据权利要求5所述监测方法，其特征在于，利用滑窗内的所有数据或部分数据判断是否发生掉块、沉降以及收敛现象，滑窗内数据的对比指标包括数据的均值、方差、众数、中位数、最大值、最小值。

8.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，

所述位置匹配算法在隧道内存在掉块、沉降以及收敛的情况发生时，得到多个掉块、沉降或收敛位置；

所述位置匹配算法选择聚类算法对位置进行聚类，根据给定阈值对多个掉块、沉降或收敛位置进行聚类，计算出隧道三维模型的掉块、沉降以及收敛位置及面积。

9.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述激光扫描仪与摄像机、温度监测仪、湿度监测仪、气体监测仪、烟雾监测仪中的一个或多个联合，进行实时视频监控和环境监测，形成隧道综合监测体系。

说明书

一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道工程建设领域，尤其涉及一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法。

背景技术

[0002] 隧道开挖施工过程中，需要对隧道周壁进行测量监控，及早发现可能存在的安全隐患，防止隧道出现形变、裂缝、漏水、塌方等安全事故。

[0003] 现有技术中，主要是利用测绘器材全站仪进行人工监测，但是利用全站仪监测存在一些问题：第一，需要人工监测，监测数据的精准度与测量人员的技术水平有关；第二，全站仪反射点需要布置反射棱镜，监测点间隔大；第三，每次测试耗时较长，需要预留较多时间；第四，测试时间受施工窗口限制，停工监测，无法对风险预警。

[0004] 另外，隧道施工过程中，根据隧道结构安全等级，可以分为4个作业区域：掌子面区域、台阶区域、初支结构安装区域和仰拱闭合区域。这四个区域中危险性最高的是掌子面区域的开挖作业，现有技术中难以在掌子面区域布置传感器，风险性最高的区域则无法对隧道顶壁进行监测。台阶区域属于隧道开挖过程中结构未稳定的区域，是隧道内表面变形最容易发生的区域，特别是刚开挖的阶段，每日内面位移量能达到2mm～5mm，如果不对变形进行监测和控制，极容易导致损伤扩展诱发安全事故。初支结构安装区域原本处于稳定状态，但是该区域的初支结构重量是由下卧土层直接承力，如果下卧土层结构因为开挖振动，地下水系干扰导致改变，容易引发初支结构整体沉降，导致隧道结构出现破坏，因此初支结构安装区域也应该进行监测。

[0005] 对于仰拱闭合区域施工完成后，由于初支结构已形成了一个完整的环形截面，抗切向应力的能力大大提高，在这个阶段初支结构内部的相对变形基本处于稳定阶段，对实时监测需求已经不太急迫。可以看出，在建隧道施工过程中应该对前三个区域进行重点监测，确保隧道施工安全。

[0006] 因此，可以看出，对隧道开挖建设过程中，需要根据建设进度的向前推进，能够不断对前向开挖的区域进行跟踪监测，并且要能够适应这种工程建设的进度，监测区域范围要可以扩大调整，监测的准确度要高，以及监测的时效性要强等。

发明内容

[0007] 本发明主要解决的技术问题是提供一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法，解决现有技术中隧道建设过程不能对隧道进行全程范围内各区域的连续性、高精度和时效性强的监测。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法,包括以下步骤：

[0009] S1将多台激光扫描仪以一定间距安装在隧道内壁或者隧道侧面底部，实时测量多个隧道横向截面和多段隧道纵向截面，多台激光扫描仪通过光电复合线缆级联方式相连接，能同时运行；

[0010] S2激光扫描仪通过自动旋转结构，对横向和纵向截面进行自动多点可配置采样；

[0011] S3使用系统误差修正算法去除机械抖动和激光器固有误差，以及隧道中施工人员、施工车辆快速移动物体造成的影响，从而获得修正后的隧道扫描数据；

[0012] S4通过截面曲线匹配算法，将截面曲线与基准截面曲线采用不同大小的窗口滑动比对，判断隧道内是否发生掉块、沉降以及收敛现象，并对多期采集的截面曲线综合分析，判断隧道掉块、沉降以及收敛随时间呈现的趋势；

[0013] S5将横向截面和纵向截面曲线重建隧道三维模型，通过位置匹配算法，计算出隧道内掉块、沉降以及收敛形变位置及其面积，

[0014] 激光扫描仪配置振动传感器，通过感应振动判断激光扫描仪在使用过程中的异常移动，当发生异常移动则自动校正并更新基准截面曲线，实现自检功能。

[0015] 优选地，激光扫描仪是单激光扫描仪或者多激光扫描仪。

[0016] 优选地，针对机械抖动以及隧道中施工人员、施工车辆快速移动物体造成的影响，系统误差修正算法利用异常检测算法对测量数据进行处理，判断出异常数据并修正，异常处理算法采用RANSAC算法过滤异常数据，采用多项式曲线拟合不同截面曲线，利用误差最小化算法计算抖动参数，修正数据；

[0017] 针对激光器固有误差导致的数据缺失情况，利用插值算法进行处理，补全数据。

[0018] 优选地，选取任意时刻截面曲线作为基准截面曲线，截面曲线处理在球坐标下或者将球坐标转换为笛卡尔坐标下实现。

[0019] 优选地，截面曲线匹配算法首先对待分析隧道截面曲线和基准截面曲线的数据进行系统误差修正，将待分析隧道截面曲线与基准截面曲线按坐标点进行差值运算，采用不同的窗口滑动进行比对，窗口宽度能自由设置，滑窗移动步长能自由选择，根据比对指标与给定阈值的关系，判断是否发生掉块、沉降以及收敛现象和危害程度；

[0020] 截面曲线匹配算法最终给出是否发生掉块、沉降、收敛现象，以及危害的范围区间、危害等级。

[0021] 优选地，滑窗移动步长的长度为1。

[0022] 优选地，利用滑窗内的所有数据或部分数据判断是否发生掉块、沉降以及收敛现象，滑窗内数据的对比指标包括数据的均值、方差、众数、中位数、最大值、最小值。

[0023] 优选地，位置匹配算法在隧道内存在掉块、沉降以及收敛的情况发生时，得到多个掉块、沉降或收敛位置；

[0024] 位置匹配算法选择聚类算法对位置进行聚类，根据给定阈值对多个掉块、沉降或收敛位置进行聚类，计算出隧道三维模型的掉块、沉降以及收敛位置及面积。

[0025] 优选地，激光扫描仪与摄像机、温度监测仪、湿度监测仪、气体监测仪、烟雾监测仪中的一个或多个联合，进行实时视频监控和环境监测，形成隧道综合监测体系。

[0026] 本发明的有益效果是：

[0027] 本发明的基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法通过在隧道内安装多台激光扫描终端，对隧道多个横向截面和纵向截面进行自动实时采样，然后通过系统误差修正算法去除机械抖动、激光器固有误差和施工人员及设施影响，获得准确的隧道截面曲线，并通过曲线匹配算法，将截面曲线与基准曲线采用可配置窗口滑动比对，从而判断隧道内是否发生掉块、沉降或收敛等隧道形变现象，并且能通过位置聚类算法，计算出隧道三维模型内掉块、沉降等形变的位置及其面积。该监测方法能根据建设进度不断地对前向开挖的区域进行跟踪监测，监测区域范围可以扩大调整，监测的准确度高、时效性强。

附图说明

[0028] 下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

[0029] 图1是本发明首选实施方式的基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法的流程图；

[0030] 图2是图1中监测方法的坐标系几何关系图；

[0031] 图3是图1中监测方法的监测隧道横向截面示意图；

[0032] 图4是图1中监测方法的监测截面数据图；

[0033] 图5是图1中监测方法的另一幅流程图；

[0034] 图6是图1中监测方法中监测隧道纵向截面示意图；

[0035] 图7是图1中监测方法中多激光扫描仪的监测示意图。

具体实施方式

[0036] 为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

[0037] 需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0038] 如图1所示，给出了一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法首选实施例，包括步骤：

[0039] 确定隧道扫描终端的安装方式S1，将多台激光扫描仪以一定间距安装在隧道内壁或者隧道侧面底部，实时测量多个隧道横向截面和多段隧道纵向截面。多台激光扫描仪通过光电复合线缆级联方式相连接，能同时运行；

[0040] 获取隧道内截面数据S2，该隧道扫描终端可由单激光扫描仪或多激光扫描仪组成，并通过自动旋转结构，对横向和纵向截面进行自动多点(可配置)采样；

[0041] 隧道系统误差修正算法S3，去除机械抖动和激光器固有误差，以及隧道中施工人员、施工车辆等快速移动物体造成的影响，从而获得修正后的隧道扫描数据；

[0042] 隧道截面数据匹配算法S4，通过截面数据匹配算法，将截面曲线与基准截面曲线采用不同大小的窗口滑动比对，判断隧道内是否发生掉块、沉降以及收敛现象，并对多期采集的截面曲线综合分析，判断隧道掉块、沉降以及收敛随时间呈现的趋势；

[0043] 重建隧道三维模型S5，将横向截面和纵向截面曲线重建隧道三维模型，通过位置匹配算法，计算出隧道内整体的掉块、沉降以及收敛形变位置及其面积。

[0044] 隧道扫描终端包括激光扫描仪以及与其连接的计算机。

[0045] 通过图1所示实施例，隧道扫描终端可以实时监测多个隧道内横截面和多段隧道内纵向截面。并且，对这些监测位置通过激光扫描测距，具有很高的准确度，监测的数据在由计算机监控端通过构建的坐标系进行映射，形成了基于空间坐标的监测数据，在同一个坐标系中，通过多期监测可以对同一个坐标的监测数据进行比较，从而有利于进行形变分析，提高了监测的准确度和智能化水平。

[0046] 作为固定设置隧道扫描终端的参考位置的一个实施例。结合图2，参考位置是固定设置在隧道侧面的侧壁位置(图2中的P点为激光扫描仪器的固定位置)，该位置并没有选择在地面上，而是通过悬吊架悬吊固定在侧壁上，设置在这个位置不会影响施工过程中车辆在隧道内的通行。之所以要高出地面设置，是因为直接设置在地面上容易被落物砸中或者地面灰尘较大而使激光扫描仪蒙尘较多。

[0047] 进一步选优的，如图3所示，在扫描测量步骤S2中，监测位置是分布在监测截面的轮廓上对应的监测点，该轮廓是隧道的周壁与监测截面的交线所对应的圆弧线。

[0048] 当隧道扫描终端在一个监测截面上对监测位置进行扫描时，该监测截面优选是隧道的垂直截面C1，或者说该垂直截面C1与隧道的纵向延伸方向相垂直。而监测位置则是分布在垂直截面的圆弧上监测点(J1～JN)，该圆弧对应的就是隧道的周壁与垂直截面的交线所对应的圆弧线。

[0049] 当隧道扫描终端在多个监测截面上对监测位置进行扫描时，该监测截面既包括是对隧道的垂直截面C2，也包括与隧道斜相交的倾斜截面C3。当是倾斜截面C3时，监测位置则是分布在倾斜截面的圆弧上监测点，该圆弧对应的就是隧道的周壁与倾斜截面的交线所对应的圆弧线。注意这里的多个监测截面是分别在不同的监测截面上进行对应的监测位置进行扫描，表明该隧道扫描终端不仅能够在一个截面上进行扫描测量，还可以通过旋转俯仰角度后，在多个截面上进行扫描测量。

[0050] 优选的，当激光扫描仪固定设置在同一个参考位置时，为了实现多个截面的扫描测量，则要求该激光扫描仪不仅能够周向转动来带动激光探头在垂直截面内对监测位置进行激光测距，还要求该激光扫描仪能够沿着隧道的纵向延伸方向进行俯仰调节，当俯仰角度调整好后，就可以在对应的倾斜截面上周向转动来带动激光探头在倾斜截面内对监测位置进行激光测距。在图3中，隧道扫描终端对垂直截面C2和倾斜截面C3的监测是在同一个参考位置进行的，激光扫描仪通过俯仰调节实现对垂直截面C2和倾斜截面C3的切换，通过其自身激光探头在垂直截面C2或倾斜截面C3的周向转动实现对垂直截面C2或倾斜截面C3上监测位置的监测。当倾斜截面可以有多个，不仅仅局限于一个倾斜截面C3。这种方式扩大了隧道扫描终端的监测范围。

[0051] 优选的，在掌子面区域开挖过程中，对掌子面的监测位置进行监测时就可以通过倾斜截面C4监测的方法来实现，这样既可以覆盖到掌子面区域对应的弧顶，又可以实现监测的实时跟踪，保证了对掌子面区域监测的准确性和时效性，由此可以提高安全性。

[0052] 进一步优选的，在数据记录步骤S3中，还包括坐标系转换；以监测截面的中心为原点，建立笛卡尔坐标系，并将球坐标系中的监测数据转换为在笛卡尔坐标系中的监测数据。

[0053] 通过这种坐标系转换有利于人机交互过程中，更好的以隧道的几何中心来显示和解析监测数据。优选的，结合图2，该坐标系转换方法是：

[0054] P点对应的是激光扫描仪的转动原点，设备安装距离地面高度H，距离远离隧道中心O的边缘距离D(即PL),A点对应是一个监测位置，在扫描测量中对应得到角度数据和距离数据，分别是(α,PA)，该过程是以P点为原点的球坐标系。在坐标系转换中，需要转移到以O点为原点的笛卡尔坐标系，P点和O点之间的矢量表示为 坐标系对应的转换方法包括：A点在笛卡尔坐标系中的坐标为(LM,MA)，其中LM＝|PA*cosα-D|，NA＝PA*sinα+H，因此坐标换算后，A点在笛卡尔坐标系中的坐标为(|PA*cosα-D|,PA*sinα+H)。通过这种方式，可以得到不同时刻下的监测位置在两个坐标系下的坐标。

[0055] 通过上述说明可以看出，由于激光扫描仪在参考位置进行监测，当监测截面确定后对应在该截面上建立坐标系，每一个监测位置对应于该监测截面上的坐标系的一个坐标点，测量的角度和距离数据，即监测数据对应为该坐标点的坐标值，但是由于隧道形变会发生，每次对同一个坐标点测量的数据有可能会产生差异，即坐标值发生变化的差异，利用采用不同大小的窗口滑动比对，当差异超出设定的阈值时，就有可能表明隧道发生了形变。

[0056] 同时，当监测截面确定后，就可以根据激光扫描仪监测的多个监测位置的数据信息(测量的角度和距离数据)和坐标变化形成多个坐标点，首先去除激光扫描仪的机械抖动和固有误差对坐标点所带来的影响，从而获得精准的隧道截面数据。

[0057] 具体的，系统误差包括机械抖动和激光器固有误差，以及隧道中施工人员、施工车辆等快速移动物体造成的影响。

[0058] 针对机械抖动以及施工人员、施工车辆等快速移动情况，其一在于偶然发生单一位置由于转动导致误差，及其后位置存在累计误差；其二在于部分位置存在误差以及施工人员、施工车辆等快速移动情况，利用异常检测算法对数据处理，判断出异常位置并修正。

[0059] 针对激光器固有误差可能导致的数据缺失情况，利用插值算法进行处理，补全数据。

[0060] 优选的，如图4所示。在动态分析步骤S4中，在同一个监测截面上，在该监测截面上对应的坐标系中的坐标点即为该监测截面对应的监测位置，该坐标点的坐标值即为该监测位置的监测数据，由多个坐标点依次连接拟合形成隧道截面曲线；以首次监测获得的隧道截面曲线为基准截面曲线，将后续监测的隧道截面曲线与该基准截面曲线进行数据比较，采用不同的窗口滑动进行比对，分析判断滑窗内的数据变化。

[0061] 优选的，可以选取任意时刻获得的隧道截面曲线作为基准截面曲线，并不局限于将首次监测获得的隧道截面曲线作为基准截面曲线。后续监测获得的多个隧道截面曲线中，隧道截面曲线上窗口滑动数据的位移变化，以及隧道截面曲线变化的趋势。

[0062] 记录每条隧道截面曲线的信息并对隧道截面曲线中每窗口滑动数据的位移变化进行数据统计，这样就能够了解到监测截面随着时间的变化，每个监测位置的沉降程度，如果监测位置在较短的时间内出现较大的变化，就可预估出隧道内存在风险，进而提前维护，以免造成较大的损失。

[0063] 优选的，在动态分析步骤S4中，还包括对窗口滑动数据的位移变化设定阈值，当窗口滑动数据的位移变化在该阈值内，则表明隧道形变在正常范围之内；当窗口滑动数据的位移变化超出该阈值，标记该位置对应的隧道形变超出范围，进行相应的提示和报警。

[0064] 对后续监测的隧道截面曲线与基准截面曲线修正，将基准截面曲线上的坐标点减去后监测的隧道截面曲线上的坐标点。通过不同大小窗口滑动数据的位移比较，若窗口滑动数据的位移变化为正，表示该位置的监测位置发生沉降；若窗口滑动数据的位移变化为负，表示该位置的监测位置发生掉块。将位移变化值的绝对值与阈值进行比较，当位移变化值的绝对值大于或等于该阈值时，则判定监测位置发生沉降、掉块或收敛，进行标记；当位移变化值的绝对值小于该阈值时，则沉降、掉块或收敛在正常范围之内。

[0065] 优选的，在动态分析步骤S4中，还包括图像采集，当监测的标点的位移变化超出阈值后，隧道扫描终端对相应的监测位置进行图像拍照，并将图像传输给计算机监控端。

[0066] 优选的，本发明监测方法中还包括振动监测，激光扫描仪包括振动传感器，当振动传感器监测到振动后，更新基准曲线并在系统平台端信息提示。

[0067] 另外，由于振动也会对激光扫描仪的固定位置造成影响，使隧道激光测距仪会偏离原来的固定位置，发生下降或者左右移动，导致在监测过程中，监测数据出现明显异常。因此，隧道内发生振动后，若监测位置非所需位置，则需要对激光扫描仪的位置进行检查和重新定位，确保后续监测地准确度。

[0068] 优选的，本发明监测方法中还包括温度监测、湿度监测、气体监测和/或烟雾监测，隧道扫描终端对应包括温度传感器、湿度传感器、气体检测仪器和/或烟雾传感器，当传感器监测到有明显的温度、湿度、气体检测仪器和/或烟雾变化后，则进行一次前述的所述采样步骤，对温度、湿度和/或烟雾对隧道结构产生的影响进行分析判断。

[0069] 与振动效应类似，当这种温度、湿度和/或烟雾对隧道结构产生较大影响时，则需要更新基准截面曲线，可以参考前述说明，这里不再赘述。

[0070] 也就是说，本发明中的监测方法常规是在激光扫描仪的参考位置确定好以后，通过定时重复上述采样步骤，来实现对监测截面上的监测位置进行监测，这是一种常规监测，当然其中的定时间隔和具体的监测区域密切相关，通常是监测区域的危险度越大对应的定时间隔越小。而这里的振动监测、温度监测、湿度监测、气体检测仪器和/或烟雾监测，则属于一种对外界环境的感应监测，通过监测到这种外部环境的变化，很可能带来对隧道的结构的破坏性影响，因此即可启动一次上述监测步骤，来具体判断该振动事件对隧道的影响程度，并作为一种特殊情况进行记录、显示和上报。

[0071] 图5进一步说明了本发明监测方法的监测流程，可以结合前述说明理解，这里不再赘述。通过以上说明可以看出，本发明的监测方法中可以对掌子面区域、台阶区域、初支结构安装区域和/或仰拱闭合区域进行有区别的监测，这种区别反映到本发明中对参考位置的选择，对监测截面的测量方法的选择以及对数据的记录分析方法的不同，因此通过本方法可以实现对在建隧道的全程监测，实现无死角监测，并且各个作业区域的监测重点又不相同，实现了常规监测(定时监测)、异常监测(如振动引发的监测)、全程监测和区域监测的有机结合，能够满足隧道建设过程中的多种监测需求，具有良好的性价比。

[0072] 从上述实施例可以看出，激光扫描仪是对隧道横向截面进实时连续距离采样。当然，激光扫描仪还可以对隧道纵向截面进行实时连续的距离采样。在对隧道横向截面进行采样时，获得的隧道截面曲线是一条抛物线。结合图6，激光扫描仪对隧道纵向截面继续进行实时连续采样，获得的隧道截面曲线是一条直线，如图6中的直线L1。

[0073] 优选的，还可以在隧道的横向设置移动轨道，激光扫描仪可以沿着移动轨道移动，而在移动轨道上可以间隔设置多个参考位置，这样使得激光扫描仪可以方便的进行参考位置改变，扩大对隧道的监测范围。因此，激光扫描仪在移动过程中，可以获得多条纵向截面曲线(L1～L4)，其数量与参考位置的设定数量有关。

[0074] 进一步的，可以同时对隧道横向截面和隧道纵向截面进行实时监控，获得多条隧道横向截面曲线和隧道纵向截面曲线。将隧道横向截面曲线和隧道纵向截面曲线进行位置匹配，两种曲线上表示相同监测位置的坐标点重合，最终形成隧道的三维模型。

[0075] 在实时监测过程中，对待分析曲线采用不同的窗口滑动进行比对，比对指标超过阈值的位置作为告警位置。当隧道发生沉降、掉块以及收敛时，沉降区域或者掉块区域会显示在隧道的三维模型的上，隧道内面的三维模型上产生形变区域。形变区域内具有多个告警坐标点，将形变区域边缘的告警坐标位置根据距离进行聚类，根据聚类结果得到一个或多个沉降或掉块区域，将一个或多个沉降或掉块区域的点连接形成形变区域轮廓，并计算形变区域的面积。形变区域的面积代表了实际发生沉降或者掉块的面积。依次来判断隧道内该区域内沉降或掉块的范围大小以及危害等级。隧道扫描终端可通过声光报警的方式指示到发生沉降或掉块的区域，方便维护人员快速到达形变区域精准维护。

[0076] 进一步的，本发明使用的扫描终端包括单激光扫描仪和多激光扫描仪。单激光扫描仪可以对单个隧道截面进行扫描测量，多激光扫描终端能够同时对多个隧道截面进行扫描测量。

[0077] 如图7所示，在图7中，多激光扫描仪D可以同时监测多个隧道横向截面(C1～C4)，此时多激光扫描仪沿其中轴线垂直于隧道的横截面的方向设置；当然也可以改变多激光扫描仪的设置方式，使其轴线平行于隧道内的横截面的方向设置，同时监测多个隧道纵向截面。

[0078] 可以看出，无论是单激光扫描仪还是多激光扫描仪，其设置方式具有多样性，既能够监测隧道横向横截面，也能够隧道纵向截面。同时也对应着激光扫描终端在隧道内的设置方式不同，当需要对隧道横向截面进行监测时，将激光扫描仪沿其中轴线垂直于隧道的横截面的方向设置；当需要对隧道纵向截面进行监测时，将激光扫描仪沿其中轴线平行于隧道内的横截面的方向设置。

[0079] 由此可见，本发明公开了一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法。该方法包括的步骤有在隧道内安装多台激光扫描终端，对隧道进行自动采样，然后将监测数据对应记录在坐标系中，通过多期监测来研判隧道的结构变化。本发明隧道内安装并级联多台激光扫描仪，对隧道多个横向截面和纵向截面进行自动实时采样，通过系统误差修正算法去除机械抖动、激光器固有误差和施工人员及设施影响，获得准确的隧道截面曲线。通过曲线匹配算法，将截面曲线与基准曲线采用可配置窗口滑动比对，判断隧道内是否发生掉块、沉降或收敛等隧道形变现象。通过位置聚类算法，计算出隧道三维模型内掉块、沉降等形变的位置及其面积。

[0080] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。