[发明专利]基于最小包围盒算法提取隧道三维轴线的方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程测量技术领域，具体涉及一种基于最小包围盒算法提取隧道三维轴线的方法。

背景技术

隧道的中轴线是隧道内部空间中心位置处与其延伸方向相平行的一条虚拟曲线，反映了隧道的空间姿态和走势，是隧道纵断面提取的前提。

使用全站仪测量盾构隧道的三维轴线时，传统方法一般采用全站仪按一定间隔实测衬砌环片断面多个特征点，以圆拟合模型求解环片中心坐标作为隧道轴线。实际作业时，需人工在现场进行测点瞄准观测，实测断面数量有限。该方法多次重复测量时，因衬砌环特征点坐标采集的任意性，测量成果容易受人为因素的影响。

使用三维激光扫描数据提取隧道中轴线的方法包括：曲线拟合法，针对散乱点集的曲线拟合可以采用最小二乘法(generalized least squares ,GLS)，移动最小二乘法（Moving Least-Squares ,MLS），随机采样一致性算法(Random Sample Consensus,  RANSAC)，样条曲面拟合法等。In-Kwon Lee 详细论述了基于MLS的中轴线拟合方法；托雷通过RANSAC算法和GLS算法完成隧道中轴线的提取。此外, Soohee Han 通过将隧道点云数据投影到二维平面上，再利用计算机视觉领域的骨架提取方法获得隧道的中轴线。上述算法未考虑隧道底切变（沉降）或拼接导致的隧道三维轴线扭转，因此对于提取隧道的直径存有一定的影响。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于最小包围盒算法提取隧道三维轴线的方法，该方法利用变角度步长的隧道最小包围盒算法提取衬砌环的点云切片，从而获得高精度的隧道三维中轴线。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于最小包围盒算法提取隧道三维轴线的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

   （1）通过单站三维激光扫描获取隧道点云，将所述的隧道点云以初始角度步长                                               绕竖直方向轴进行0°～360°的旋转，其中，k=1、2、3…，j为迭代次数，取整数，△α为固定步长的最小旋转角度；根据每次旋转后的所述隧道点云的坐标范围生成包围盒AABB，并计算其相应的体积V_i,之后从中找出最小的体积V_min；记录所述隧道点云从初始位置到包围盒AABB最小体积位置处时绕竖直方向轴旋转的角度α，并根据包围盒AABB的长边方向识别所述隧道的轴线方向； 

   （2）在（-α/2，α/2）角度范围内，以角度步长重复步骤（1），以更新V_min和α的值；

   （3）重复步骤（2），减小角度步长为，直至减小角度步长到，其中n=j，计算此时所述隧道点云从初始位置到包围盒AABB最小体积位置处时绕竖直方向轴旋转过的最终角度α，获取所述隧道点云位于该位置处时的最小包围盒AABB；

   （4）基于所述隧道点云的最小包围盒AABB生成若干所述隧道衬砌环的点云切片；

   （5）对步骤（4）中提取的若干所述点云切片分别进行整体椭圆或圆拟合，并分别求解得到所述椭圆或圆的三维中心坐标，将各所述三维中心坐标按里程顺序连接为空间曲线并做平滑处理，以构成所述隧道的中轴线。

所述步骤（4）中生成所述点云切片的步骤为：单站三维激光扫描的所述隧道点云的原始点集为，，点集P的坐标范围为，其中n为所述隧道点云的分割段数，m为各段所述隧道点云内的点数；平面集T表示为，其法矢指向所述隧道轴线方向，其中，，；之后定义各段所述隧道点云的中间位置为对应段的投影参考面，所述投影参考面可通过计算，其中ε为各段所述隧道点云的厚度；将各段所述隧道点云内的所有点投影至该段的所述投影参考面，以生成各段所述隧道点云的点云切片。

所述平滑处理所利用的方法是平曲线二阶连续和纵曲线二阶连续计算方法。

本发明的优点是，利用三维激光扫描原始点云数据并基于最小包围盒算法自动提取单圆盾构的三维轴线，精度高，速度快，可供隧道轴线检测、直径收敛提取、生成正射影像等使用；此外，可避免传统处理方法需要预先输入隧道设计轴线或实测轴线的弊端，从而大大提高数据处理的自动化程度。

附图说明

图1为本发明中的方法流程图；

图2为本发明中隧道最小包围盒示意图；

图3为本发明中提取衬砌环的点云切片示意图；

图4为本发明中隧道轴线进行平滑处理的示意图；