多媒体技术在地铁隧道变形监测中的应用
摘 要:简述了通过摄像机、照相机、测量机器人、三维激光扫描仪和其他图形图像采集设备采集隧道变形数据的方法，提出了多媒体变形监测数据的数学处理流程，讨论了多媒体变形监测数据的存储、查询调用、分析和管理方法． 研究表明，采用现代多媒体数据采集技术和数据库技术建立隧道变形监测系统，能以数字、曲线、图形和图像等方式来反映隧道的实时变形情况并随时提供预报报警信息，确保了隧道安全．
关键词:地铁隧道; 变形监测; 多媒体应用; 数据库; 图形图像
0 引言
地铁工程在设计阶段、施工期阶段和运行阶段都要进行变形监测． 地铁隧道结构变形监测的显著特点是内容多、监测路线长、监测测点密布、监测周期短、监测数据量大、监测数据处理繁． 变形监测数据系统可以及时快速地反馈监测信息． 现阶段国内出现了较多的用于地铁施工期的监测信息系统［1 ～3］，这些系统虽各自都有自己的特点，但都或多或少地存在局限性． 其中，采用现代多媒体技术、数据库技术和建立基于多媒体的多传感器隧道变形监测系统还不多见． 为此，采用测量机器人、摄像机、照相机三维扫描仪和其他图形图像等设备采集隧道变形数据，结合摄影测量和图形图像处理技术、数据库技术和多媒体技术研究多媒体变形监测数据的存储、查询调用、分析和管理方法，对提高监测适量，提高监测效率具有重要意义.
1 隧道多媒体数据的采集
隧道地面变形可以结合 GPS、摄像机、三维扫描仪、测量机器人、电子水准仪、全站仪等现代测量仪器采集地表和隧道沿线的建筑物的三维变形信息．隧道内部可以采用摄像机、三维扫描仪、测量机器人、电子水准仪采集隧道收敛和下沉等三维变形信息; 同时通过气象和地质、温度、应变传感器还可以采集其他环境信息．
变形测量仪器和传感器的布设系采用不同的仪器和传感器布设在隧道监测点，按照预先设定的采样频率定期采集预先设定的监测数据，用多台计算机做为传感器的工控机，通过供电电缆、有线或者无线网络建立计算机和传感器的通讯与监测网络，对多源数据实时处理，采用不同的数学模型对变形进行分析与预报． 该模式仪器和传感器根据现场情况，布设在多个测点、测线或者断面［4 ～9］，也可按照分布式方案布设． 为了保证监测数据的可靠性和便于检核，各设站点与测量基准点组成基准网，各测量周期和时段的测设数据均应化算为统一基准，基准点的坐标和高程变化定期复测． 整个组网的多媒体监测系统可以实现控制测量、变形测量和实时多源数据采集的完全自动化． 其过程综合应用了大地测量、摄影测量、数据库系统、通讯技术和互联网技术，而使用摄影机或者摄像机采集隧道变形信息则是按照摄影测量原理通过计算机计算和分析定量给出结构变化值． 数据采集方法如图 1所示．
2 多媒体监测数据库及其管理
2． 1 数据库的结构
变形监测数据库用于存储监测点属性和监测点的三维坐标，该基础框架要尽量满足用户的需求，用户需求分析虽然重要，但为了维护方便要要使系统需求的资源和数据库中数据冗余度尽量小．根据这个原则，系统的最小功能要求要具备系统设置、数据预处理、数据库、在线数据库登录与查询、数据库管理、数据库在线帮助和退出系统等模块．其结构如图 2 所示．
2． 2 多媒体隧道监测系统的功能及特点
系统可以 24 h 不间断地完成各种主流监测传感器如摄像机、照相机、测量机器人、三维激光扫描仪 GPS、倾斜仪、气象和地质等多传感器等的控制、管理和数据集成． 多媒体隧道监测系统能够实时地显示监测点的位移情况、拱顶下沉情况、隧道收敛情况，实时模拟三维隧道，动态可视化显示，实时在线数据分析，事先设定变形和合理报警方式，若监测量超出报警值系统可以通过报警指示灯、SMS 短消息、E － mail、拨叫电话等多种方式分级自动报警，甚至提示事先制定的应对预案．
多媒体隧道监测软件开发采用 VC + + 语言，用 Mierosoft SQL Server 关系数据库系统连接隧道监测系统和监测数据分析系统．
2． 2． 1 监测系统功能
集成以上传感器进行隧道变形数据采集，控制数据采集频率和测量周期; 根据测站坐标、位移、下沉、温度、气压、内力等观测量计算变形值并在显示器上实时动态显示; 定义隧道的测量、计算的限差和报警值; 探测和监控监测系统工作状态; 实现服务器与多传感器和整个监测系统间的数据传输; 多用户的数据库系统方便不同的监测需求．
2． 2． 2 分析系统功能
可以用图形、图像与数字方式显示测量数据与测量结果; 能按需求进行数据编辑、分析和处理; 对工作状态进行探测并对超出警戒值的数据监控探测，对变形采用多种方式联合进行预测预报; 监测成果的输出和打印可以实现按需输出，其兼容数据格式有 ASCll，DGN，WMF 等; 为了方便变形管理并兼容其他如软件，系统还具备用于数据的交换和存储的 GeoMoS Server 系统．
3 应用案例
针对一在建的地铁隧道，在关键断面布设了摄像机、照相机、测量机器人、三维激光扫描仪、全站仪、分布式光纤系统等传感器，监测系统把取得的隧道变形信息采用有线结合无线方式传给计算机，再通过互联网、路由器等传输到 web 服务器，实现数据采集、数据处理分析和变形预报的远程浏览、查询调用和和自动控制，如图3所示． 以其中某日扫描仪和测量机器人监测数据为例，系统采集总数据量 80GB． 利用软件对传感器所截取断面进行数据处理，系统生成了: 断面变形差值曲线如图 4、隧道三维模型如图 5、隧道拱顶下沉模型如图 6． 由图可知，隧道变形值在 0 ～2 cm 之间，未达到报警值，所以监测数据揭示了变形值在隧道变形的容许限差内．
4 结论
研究和应用表明对媒体信息和数据库系统在隧道变形监测的应用，兼了容多传感器和大地测量仪器，对如摄像机、照相机、三维激光扫描仪、GPS、TPS、NIVEL 倾斜仪、温度气压传感器、雨量计、伸长计、光纤传感器和各种地质传感器的管理和布设，实现了隧道变形监测的可视化和自动化． 在地面、地下、办公室等对系统进行远程控制和管理，支持用户自定义变形限差控制和以数字、曲线、图形和图像等方式实时监控和报警，克服了传统方法的许多缺点，保证了隧道安全．
参考文献:
［1］LIU S T，PAN G R，LIANG Y B，etc． GIS － Based Tunnel Deformation Monitoring System［J］． Proceedings of the First International Workshop on Education Technology and Computer Science，2009，3( 7 － 8) : 553 － 555．
［2］张庆贺，朱忠隆，周希圣，等． 盾构法隧道施工多媒体监控与仿真技术［J］． 同济大学学报: 自然科学版，2001，29( 6) : 729 －732．
［3］胡向东． 盾构隧道施工多媒体监控与仿真系统主控程序与数据库系统与特大深基坑冻结法施工解析计算研究［D］． 上海: 同济大学，2002．
［4］刘绍堂，王志武． 隧道围岩收敛监测方法及其特点［J］．铁道建筑，2008( 7) : 44 －46．
［5］LIU S T，JI Z G，LIANG Y B，etc． Risk Management Applied in Trenchless Technology ［C］． Proceedings of International Symposium on Risk Control and Management of Design，Construction and Operation in Underground Engineering ( IRCM 2009) ，2009．
［6］ LIU S T，WANG Z W． Deformation Monitoring During Construction of Subway Tunnels in Soft Ground［J］． Proceeding of the Sixth International Symposium Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground，2008( 4) : 312 －317．
［7 ］刘绍堂，赵站杨． 杭州湾跨海大桥 70m 箱梁施工期间的变形监测［J］． 世界桥梁，2007( 2) : 58 －60．
［8］刘绍堂，李微晓，赵站杨，等． 杭州湾跨海大桥上部结构控制和施工测量方法［J］． 测绘通报，2009( 9) : 39 －41．
［9］LIU S T，JI Z G，LIANG Y B，etc． Convergence and Settlement Monitoring During Construction of Metro Tunnels［C］． Proceedings Of ACCUUS，2009: 464 －469．
京公网安备 11010202007575号