1 行业背景

截至2020年底，我国公路隧道共21316处、2199.93万延米，是目前世界上公路隧道规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、发展速度最快的国家。随着公路隧道运营年限的增加，隧道结构及衬砌表观病害问题日益突出。 

 

公路隧道人工检测方式

目前公路隧道衬砌表观病害检测通常采用以下方式

人工检测方式 

该方式效率低、安全风险高、对交通运营影响大，难以满足大规模高速、高效、高精度的隧道检测要求。

二维影像方式

该方式一般采用面阵相机或线阵相机为主要传感器，对隧道衬砌表面进行连续拍摄，获取对应位置的高清影像，通过影像进行病害信息标注。该方式可实现裂缝类病害的识别，但二维影像无深度信息故无法有效对变形类病害实现精确检测。

三维激光检测方式

该方式采用激光扫描仪获取高密度的隧道衬砌表面点云数据，利用海量三维点云实现病害检测。可精确检测变形类病害，但无法对细小裂缝进行识别，裂缝类病害的检测精度低。同时现有的隧道衬砌病害快速检测设备基本以编码器进行里程定位，因载车行驶过程中无法始终平行于隧道的中心轴线方向，且隧道中没有密集的里程标志，无法精准校准里程，导致检测结果里程误差较大，难以准确定位病害位置，影响结果检核及养护处理的及时性。

综上所述，为提高隧道病害定期检测的效率及准确性，为隧道科学、合理养护提供决策依据，亟需探索创新性的隧道检测技术。

 

2 多源融合隧道检测技术介绍

该技术是基于组合导航定位、多源传感器集成、时空同步控制、海量大数据点云管理等前沿研究，集成三维激光扫描仪、高清工业相机、高精度惯导、GNSS、多源传感器同步控制等系统，将高清影像检测技术、三维激光扫描检测技术、高精度组合导航定位技术集成应用于一体，不仅可实现对0.3mm裂缝的检测，而且能实现对变形类病害的精准识别，并且可提供0.2m以内的里程定位精度。

 

该技术可一次性快速获取隧道全断面三维点云及影像数据，重构隧道三维模型，实现对隧道裂缝、渗漏水、衬砌表层起层、剥落、掉块、排水沟损坏等病害的检测，解决了纯图像检测方式定位精度差、对形变类病害识别率低等问题，各检测指标精度满足隧道检测相关规范要求。

 

隧道三维激光视频检测系统

3 技术指标

隧道三维激光视频检测系统技术指标

序号	系统功能	技术指标	技术参数
1	检测功能	衬砌	衬砌裂缝、表层起层、脱落、裂缝渗漏水等
2		检修道	损坏、盖板缺失、栏杆变形、锈蚀、缺损等
3		吊顶	变形、破损
4		内装饰板	表面脏污、缺损；装饰板变形、缺损等
5		标志/线/轮廓标	标线缺损、表面脏污
6		排水系统	沟盖板缺失、损坏
7	系统精度	裂缝检测精度	≥0.3 mm
8		掉块检测精度	≥5 mm
9		里程定位精度	≤0.2 m
10	检测时速	行驶速度	0-80km/h

4 技术特色

（1）基于三维激光点云生成隧道灰度图、深度图

项目	灰度图、深度图	传统方式
病害识别	基于三维点云正射投影生成深度图，图像通过颜色渲染方式，精确显示隧道衬砌表面的高差变化，可直接定位掉块等变形类病害位置。	传统的影像检测方式仅能通过图像精确识别裂缝类病害，无法准确识别变形类病害。
隧道预览图	基于三维点云正射投影生成灰度图，无需拼接即可提供隧道预览图，该图像无拼接缝、光照不均匀等问题，将提供美观的成果展示效果。	面阵相机仅能利用拼接方式提供隧道预览图，展示效果受拼接技术影响较大；线阵相机受采集过程中，由于系统姿态的动态变化，预览图影像将会发生扭曲变形。

 

 

 

公路隧道三维点云数据

 

 

公路隧道同一位置灰度图及深度图

 

基于深度图识别变形类病害

（2）灰度图、深度图与高清影像精确匹配

项目	灰度图、深度图、高清影像	传统方式
联合作业	基于高精度多源传感器同步控制技术、隧道三维模型重构技术，实现灰度图、深度图、高清影像的精准匹配，多源数据实时联动调查病害，充分发挥点云的高精度几何特性、影像的高分辨率优势，为病害调查提供多种维度的基础数据。	传统的影像检测方式仅能应用图像实现病害提取，激光检测方式也只能凭借深度图、灰度图进行病害识别，无法从多维度实现病害调查。

 

 

灰度图、深度图与高清影像精准匹配

 

基于多源数据的隧道病害调查

（3）基于三维点云的里程修正定位

项目	高精度三维激光点云	传统方式
高精度里程定位	以高精度组合导航定位技术输出的定位数据为基准，生成隧道三维激光点云，不受行驶轨迹影响，均可重构每个隧道的高精度三维模型。基于此模型进行里程修正，仅需在隧道两端进行里程修正（支持在隧道内任意位置进行里程修正），即可将病害里程与实际里程误差控制在0.2m以内，为养护管理单位提供精准的病害信息。不仅保证了测的全，也实现了测的准。	传统检测方式仅靠编码器进行里程定位，因检测设备移动过程中无法始终平行于隧道的中心轴线方向，随着编码器误差累积，病害里程误差随之增大，并且隧道中没有密集的里程标志，无法精准校准里程。传统面阵相机图像的拼接误差等因素均会影响里程精度。病害里程定位误差问题不可避免。

 

基于里程定位修正定位精度

（4）基于灰度图输出隧道病害展布图

项目	基于灰度图生产展布图	传统方式
病害位置匹配	以灰度图为底图生成展布图，展布图显示的病害位置与隧道中病害实际位置高精度匹配，方便病害检核及养护处理。	受拼接误差、里程定位等问题影响，病害位置在显示时无法一一匹配。
成果展示	灰度图病害展布图直接通过重构的高精度隧道三维模型生成，无拼接缝、匀光不均匀等问题。	展布图效果受图像拼接误差、匀光问题、图像变形等问题影响。

 

灰度图病害展布图

CAD病害展布图

5 结语

目前公司该技术已经成功应用于湖北、河南、云南、贵州、甘肃、陕西等十余个省份约2000公里的公路隧道检测项目，技术的先进性及优势已得到充分验证，具体优势如下：

（1）功能全：同时检测隧道衬砌、检修道、排水沟等位置的病害。

（2）精度高：裂缝检测精度0.3mm，相较纯图像检测方式，三维激光的空间几何测量精度高，可精确识别变形类病害，掉块检测精度5mm。

（3）定位准：三维激光点云可准确识别里程桩位置，相较纯图像方式，可精确修正里程信息，里程定位精度0.2m。

（4）广适用：可应用于公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、引水隧道等领域，适用性强。

（5）易安装：模块化设计，体积小，重量轻，安装灵活、轻便，支持搭载于SUV及商务车上进行作业，不绑定载车。

（6）免标定：系统各个模块采用刚性结构，传感器位置固定、稳固，无需反复标定，支持反复拆装。