1 引言

緊鄰地鐵的基坑開挖和施工建設會對地鐵隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，通常會造成隧道發(fā)生沉降、位移、裂縫、傾斜，為保證地鐵的安全運營，需要對地鐵保護區(qū)范圍的隧道進行變形監(jiān)測[1-3]。近幾年，隨著三維激光掃描技術的發(fā)展，在地鐵隧道中的應用越來越多[4-5]。

李雙[6]通過制定隧道掃描計劃，研究隧道點云數(shù)據(jù)拼接方法及改進方案。周奇才等[7]于2010年設計了基于激光測距技術的隧道斷面形變檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道斷面的結(jié)構(gòu)安全性檢測。謝雄耀等[8]于2013年采用圓柱面擬合的方法擬合隧道中軸線，并聯(lián)合圓柱擬合與橢圓擬合進行點云建模，最后通過試驗分析了其相較于全站儀的精度，驗證了三維激光掃描技術在隧道變形監(jiān)測中的可靠性。

到了20世紀90年代，為了滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，全國擴建和新建農(nóng)藥企業(yè)蔚然成風，農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)在全國各地快速涌現(xiàn)。新世紀以來，農(nóng)藥業(yè)發(fā)展進入黃金時期，農(nóng)藥廠的規(guī)模越來越大，企業(yè)的經(jīng)濟效應也逐步顯現(xiàn)，集團化、規(guī)?；?、現(xiàn)代化水平越來越高，農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)顯示出較強的發(fā)展勢頭。進入21世紀后，隨著改革開放的不斷深入，進一步促進了我國農(nóng)藥工業(yè)發(fā)展，消費與生產(chǎn)兩旺，產(chǎn)業(yè)一片繁榮。

三維激光掃描在地鐵隧道中的應用很多，但是慣導系統(tǒng)與移動三維測量技術結(jié)合在隧道中的應用卻很少，本文提出基于慣導的移動三維測量技術，可快速獲取隧道結(jié)構(gòu)的三維點云模型，基于點云模型進行水平位移和沉降監(jiān)測。本文經(jīng)過大量的試驗測試，以全站儀測量結(jié)果為基準，驗證該測量技術在地鐵保護區(qū)變形監(jiān)測中的可靠性。

2 基于慣導的移動三維測量系統(tǒng)

基于慣導的移動三維測量系統(tǒng)由軌道小車、相位式激光掃描儀、慣導系統(tǒng)、里程計、柱體電池、筆記本電腦組成，整體構(gòu)造見圖1。

軌道小車是移動三維測量系統(tǒng)的運行平臺，它把所有的傳感器結(jié)合在一起，其基本構(gòu)成為T字型橫梁、三個行走輪、兩個側(cè)邊輪、可轉(zhuǎn)向把手。T型結(jié)構(gòu)的設計根據(jù)三點共面確保軌道小車能夠平穩(wěn)前進[9]。

激光掃描儀被稱作激光雷達（Light Detection And Ranging，LIDAR），利用激光測距原理獲取目標坐標信息的系統(tǒng)。通過分析發(fā)射和接收激光信號的相位差，得到掃描點的二維坐標。

慣導系統(tǒng)（Inertial Navigation System）作為移動三維測量系統(tǒng)獲取絕對數(shù)據(jù)的核心部件，主要記錄軌道小車的運行軌跡，根據(jù)IMU與掃描儀的相對位置關系推算出掃描點云的三維絕對坐標。

3 工作原理

3.1 基于慣導的定位定姿方法

移動三維測量系統(tǒng)采用線掃描模式（見圖2）獲取隧道的點云數(shù)據(jù)，掃描儀根據(jù)激光線的射出角以及距離計算出掃描點的相對坐標，配合高精度慣導提供的軌跡信息可推算出掃描點的三維坐標。

掃描點云的三維絕對坐標精度取決于INS的精確定位。INS在短時間內(nèi)可獲取掃描系統(tǒng)準確的軌跡信息，但是隨著時間的增長，其精度會越來越差，因此，需要每隔一段時間對INS進行修正，以保證能夠?qū)崟r精確定位?；贚idar/IMU/里程計緊組合定位定姿算法[10]79解決了INS誤差隨時間累積的問題。該方法首先組合IMU/里程計模型，里程計記錄移動載體的運動距離，根據(jù)記錄的距離和時間可以獨立解算出位置和速度，與IMU構(gòu)成松組合模式，對慣導系統(tǒng)的位置、速度和姿態(tài)進行修正。

濾波狀態(tài)向量為慣性誤差狀態(tài)向量X，濾波狀態(tài)方程為:

教學過程由一個個教學環(huán)節(jié)組成，一個個教學環(huán)節(jié)好比是粒粒珍珠，而各環(huán)節(jié)間的過渡語則是串連珍珠之間的絲線，缺少這條線，再好的珍珠也成不了美麗的項鏈。因此我們要充分注意教學過程中過渡語的設計和運用。我在講《圓明園的毀滅》一課時，根據(jù)教材內(nèi)容，在二、三段設計了這樣的過渡語：

式中，為狀態(tài)向量轉(zhuǎn)移矩陣；τk+1為狀態(tài)向量轉(zhuǎn)移噪聲；δt為慣性濾波更新周期。

觀測量為里程計位置、速度與慣性位置、速度的差值:

式中，P O、V O分別為里程計計算位置和速度；P INS、V INS分別為INS推算位置和速度；z為殘差觀測向量。

觀測更新方程為:式中，H為觀測矩陣；ε為隨機觀測噪聲；I3×3為三階單位向量。

采用卡爾曼濾波計算方程。時間更新:

狀態(tài)更新:

得到狀態(tài)X k+1值后，利用位置誤差、速度誤差以及姿態(tài)誤差改正量估計值修正慣性位置、速度和姿態(tài)。

散射曲線平滑程度主要從樣本的物理性質(zhì)描述樣品.與樣品受到輕微震動時，電磁波的反射和折射情況隨著液面的波動改變，所以散射參數(shù)出現(xiàn)波動.同種容器中，粘度小的液體液面變化程度劇烈，所以散射參數(shù)波動程度較大.

在IMU/里程計組合中，誤差在短時間內(nèi)被抑制，但仍然會隨時間增長。為了獲取高精度軌跡信息，需要對IMU/里程計累積誤差進行修正，基于Lidar控制點絕對坐標基準傳遞的高精度定位定姿方法[10]86可以解決這個問題。該方法通過引入外部高精度位置信息對累積誤差進行修正，從而實現(xiàn)高精度定位。

由萬花因隧道接引入谷，或由其他江湖中萬花弟子引薦的新人，入谷之后，自愿到萬花七圣門下學習，但只有經(jīng)過“七試”之后，才可得到“萬花弟子”的正式身份，之后可入正意、尚賢、歸德、執(zhí)禮各部學習，憑特長與興趣，隨侍諸師學藝，也可申請出谷，以萬花弟子的身份去江湖歷練，一邊行醫(yī)，一邊行俠，只是這桃源勝地難得，兩三百名游俠異士經(jīng)歷了世間的諸多風塵，好不容易尋覓到此地，縱情山水，自在逍遙，游于藝，志于道，真正重返俗世廝混的人并不多。

HSV感染所致的卡波西水痘樣疹，治療上均可應用廣譜核苷類抗病毒藥阿昔洛韋治療，而柯薩奇A16病毒等RNA病毒感染所致的卡波西水痘樣疹，臨床上應用利巴韋林的效果上更優(yōu)?？紤]到該患者所感染病毒的不確定性，因而選擇伐昔洛韋和利巴韋林聯(lián)合用藥，同時兼顧了對DNA病毒及RNA病毒的治療，并取得了明顯的療效。

3.2 Lidar控制點精度改善方法

IMU/里程計組合模型的誤差能否得到準確修正，取決于外部控制點的觀測精度以及控制點之間的距離[11]。為提升外部控制點精度，研制了與徠卡圓棱鏡共軸的裝置（見圖3），該裝置可在水平和豎直方向旋轉(zhuǎn)，測量棱鏡中心的三維坐標即可得到Lidar靶標中心的位置。后處理時在點云中拾取Lidar靶標中心，賦予全站儀測得的坐標值，即可對IMU/里程計模型的累積誤差進行修正。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 研究區(qū)概況

為驗證基于慣導的移動三維測量系統(tǒng)在外部控制點約束下水平位移和沉降監(jiān)測精度，制定了實施方案。試驗場地在杭州市某地鐵區(qū)間，通過實地踏勘選取將近240 m的隧道作為測試場，該區(qū)間屬于圓形盾構(gòu)隧道，內(nèi)徑為5.5 m，襯砌由5～6塊鋼筋混凝土管片拼裝而成，管片寬度1.2 m，采用錯縫拼接，隧道為直線有坡度環(huán)境，有利于從水平方向和豎直方向分析移動三維測量系統(tǒng)的監(jiān)測精度。

互聯(lián)網(wǎng)+外貿(mào)背景下，跨境電子商務蓬勃發(fā)展，相對于傳統(tǒng)國際貿(mào)易，其呈現(xiàn)出以下特點：運作基礎為互聯(lián)網(wǎng)平臺而非商務合同；產(chǎn)品類目多、更新速度快；交易環(huán)節(jié)簡單、涉及中間商少；支付與結(jié)匯方式更多樣。新的商務模式和交易特點對外貿(mào)業(yè)務員職業(yè)能力提出了新的要求，如需要熟悉不同的跨境電子商務平臺及運作規(guī)則、進行市場選品及產(chǎn)品發(fā)布、運營平臺店鋪、平臺營銷和推廣、客戶糾紛處理等。

4.2 點云數(shù)據(jù)采集

為保證精度評定時有足夠的數(shù)據(jù)量，本試驗共準備10個腳架和10個基座以及自制的8個基座（見圖4）用于放置棱鏡和靶標，共布設高精度Lidar控制點18個。

為了使所有控制點同等精度，本試驗只用1個棱鏡（見圖5）依次輪換測得所有控制點三維坐標，移動三維測量系統(tǒng)掃描時，只用1對自制靶標（見圖6）輪流更換得到所有控制點影像。

例如，從上述角度進行分析，所謂的“同課異構(gòu)”就不應停留于關于同一內(nèi)容不同教學設計的簡單展示，而應通過它們的對照比較引導廣大教師更深入地進行思考和研究．特別是，相對于“各有千秋”此類的相對性評論而言，應當更加重視如何能從整體上清楚地去揭示相關教學應當特別重視的各個問題，從而就可促使廣大教師由單純的“觀察者和學習者”轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W研究的“實踐者”，并能按照自己的研究積極從事新的教學實踐．

具體的實施步驟如下:

2.1.2　緊湊度指數(shù)　緊湊度指數(shù)用來衡量城市空間斑塊的完整性和城市集聚程度，是反映城市空間形態(tài)的一個十分重要的指標，通常利用Batty[15]提出的緊湊度公式來計算．公式為

（1）組裝設備，分別進行超高校準，慣導初始化。

（2）在隧道兩邊每隔30 m安裝1對三腳架和基座（見圖7），先放置棱鏡，用全站儀測量所有控制點三維坐標，再將棱鏡更換成靶標，推行測量系統(tǒng)對隧道以及Lidar靶標進行掃描。

③公益性工程水價定價機制不適合經(jīng)濟社會進一步發(fā)展的要求。當前，水價改革是貫徹落實科學發(fā)展觀的重要舉措，也是促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的必要手段，更是建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的重要途徑。隨著我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展，居民生活、工農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水的進一步加劇，水資源優(yōu)化配置工程會越來越多，政府進行調(diào)水工程財政補貼的模式會漸趨困境。

（3）全站儀進行測量時，坐標系設定水平方向（垂直于隧道中軸線方向）為x軸，沿隧道中軸線方向為y軸，豎直方向為z軸，單站次測得所有控制點三維坐標，每個控制點觀測2個測回。

（4）推行測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。往返各推行2次。保持推行速度在0.5 m/s左右，保證點云成像效果最優(yōu)。

4.3 點云數(shù)據(jù)處理

基于慣導的移動激光測量系統(tǒng)定位定姿效果既與控制點精度有關，又與控制點距離有關，為了分析該系統(tǒng)在長距離下測量精度，內(nèi)業(yè)處理時共采取3種方案來進行驗證:

（1）每隔60 m給予一個Lidar控制點，對測量系統(tǒng)累積誤差進行修正。

（2）每隔120 m給予一個Lidar控制點，對測量系統(tǒng)累積誤差進行修正。

（3）每隔240 m給予一個Lidar控制點，對測量系統(tǒng)累積誤差進行修正。

具體的內(nèi)業(yè)處理流程見圖8。

4.4 精度分析

4.4.1 靶標精度

本試驗使用徠卡TM50全站儀進行測量，該全站儀在有棱鏡模式下的測距精度為±（0.6 mm+1 ppm×D），測角精度為±0.5″，假設最遠處靶標距全站儀120 m，則靶標的點位精度為0.78 mm，觀測兩測回靶標點位精度為0.55 mm。

4.4.2 水平位移與沉降精度評定

本精度評定方法是以全站儀測得棱鏡中心三維坐標（x r，y r，z r）為基準值，移動三維測量系統(tǒng)測得靶標中心三維坐標（x p，y p，z p）為實測值，通過公式（6）計算該測量系統(tǒng)三個方向的方向中誤差[12]。

L-蛋氨酸(Methionine)又名甲硫氨酸，是人體必需氨基酸之一。蛋氨酸的硫原子含有二個未共用電子對，能以配位鍵與其他原子結(jié)合，在形成蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)中，有著十分重要的作用。蛋氨酸可以化學法合成，也可從蛋白質(zhì)水解液中提取，前者是消旋化合物。

由公式（6）得到在不同靶標間距（60 m、120 m、240 m）約束下三個方向的方向中誤差σ如表1所示。

表1展示了三種方案下基于慣導的移動三維測量系統(tǒng)各方向的方向中誤差。通過統(tǒng)計表的數(shù)據(jù)可以看到各方向的精度與隧道線型有關，因為是直線有坡度的測試環(huán)境，隧道在水平方向（x軸方向）保持不變，該方向的精度比較穩(wěn)定，基本保持在0.76 mm左右；沿隧道中軸線方向（y軸）由于航向角無法修正，存在系統(tǒng)性誤差，整體在9 mm左右；隧道在豎直方向（z軸方向）不斷變化，其方向中誤差隨著靶標約束間距增大而增大，該方向測量精度最優(yōu)可達0.72 mm。

5 結(jié)論

通過對基于慣導的移動三維測量技術進行現(xiàn)場測試分析，得到以下結(jié)論:

（1）本次試驗采用靶標和棱鏡共軸的裝置，提高了控制點精度，減少了因控制點誤差對測量系統(tǒng)定位定姿的影響，從而保證測試數(shù)據(jù)的有效性。

（2）通過不同間距控制點對測量系統(tǒng)的累積誤差進行修正，證實其水平位移和沉降監(jiān)測精度均可達到亞毫米級。

（3）基于慣導的移動三維測量技術可對地鐵保護區(qū)范圍的隧道進行整體的變形分析，對于常規(guī)以點帶面的監(jiān)測方式來說更為科學有效，探索該技術的具體應用對于保障地鐵的安全具有重要意義。

二○一八年二月十四日，我，把自己活成了當初你喜歡的模樣。但是親愛的，這是你現(xiàn)在想要的模樣嗎？是不是活成一朵花的模樣，就很美好——不再遺失的美好？

參考文獻

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Application of Mobile 3D Measurement Technology Based on Inertial Navigation System in Deformation Monitoring of Metro Protection Area

LU Jianjun1，HUANG Xiaobin2，ZHENG Jiajia1，WU Minhui3，WU Yong1
（1.Zhejiang Huadong Engineering Safety Technology Co.Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310014，China；2.Hangzhou Hanggang Metro Co.Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310014，China；3.Hangzhou Highway Administration，Hangzhou Zhejiang 310012，China）

Abstract:Horizontal displacement and settlement are important monitoring contents in the deformation monitoring of metro protection area.They are usually measured by total station and leveling instrument.The accuracy is high and they are widely used.However，this method can only monitor the area with monitoring points，and can’t grasp the overall deformation of the tunnel.In this paper，a 3D mobile measurement technology was presented based on inertial navigation system（INS）through the tunnel.The accumulative errors of INS are corrected by laying the datum network in the tunnel and transferring the absolute coordinates of Lidar control points.Finally，the three-dimensional point cloud model of tunnel structure was obtained.Based on the 3D scanning project of a metro section in Hangzhou，the cumulative errors of INS are corrected by using different spacing control points.Compared with the measured values of total station，the results show that the horizontal displacement and settlement monitoring accuracy of mobile 3D measurement technology is related to the tunnel line type.When the tunnel is in a straight line and slope environment，its horizontal displacement monitoring accuracy is relatively stable，which is basically maintained at about 0.76mm.The settlement monitoring accuracy decreases with the increase of the distance between control points，and the best accuracy is 0.72 mm.

Key words:mobile 3D measurement technology；inertial navigation system；metro protected area；deformation monitoring

中圖分類號:U456.3

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2020.01.023

收稿日期:20190922

基金項目:浙江省交通運輸廳科研計劃項目（2019036）

作者簡介:盧建軍（1975），男，浙江杭州人，高級工程師，主要從事精密工程測量與變形監(jiān)測方面研究；E-mail:lu＿jj@ecidi.com