[发明专利]一种圆形隧道收敛变形的测量方法

权利要求书

1.一种圆形隧道收敛变形的测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1：沿隧道长度方向布设多个激光扫描测站，建立由三维激光扫描仪确定的参考坐标系，每一激光扫描测站之间设立至少3个公共的工作基点，三维激光扫描仪获取每一激光扫描测站的工作基点坐标以及隧道点云；

步骤S2：以步骤S1中工作基点作为拼接基准点，将步骤S1中所有激光扫描测站的隧道点云归并到一个统一的参考坐标系中，获得隧道三维点云，并按照管节将隧道三维点云分割为多环管节的点云；

步骤S3：根据改进的圆柱面拟合算法将步骤S2中一环管节的点云拟合为圆柱面并提取管节轴线点坐标，圆柱面根据管节轴线点坐标进行坐标变换和降噪处理后，沿管节轴线方向投影到平面上获得二维的隧道点云轮廓线，根据椭圆拟合算法将二维的隧道点云轮廓线拟合为用于表示隧道的横断面收敛变形的椭圆，将椭圆上任意一点距离圆心的数值与隧道标准圆半径进行数值比对，求取两者差值，即得到了该处对应的管节收敛变形值；

所述步骤S3中圆柱面的拟合具体为：删除残差大于设定值的点云，再对点云进行均匀抽稀，再以100个点云进行圆柱面拟合，将此拟合结果作为一个初始值再对一环管节的点云进行圆柱面拟合；

步骤S4：根据平面应变条件，将步骤S3中椭圆沿轴线拓展成三维的椭圆柱面，该椭圆柱面表示一环管节的收敛变形，由多环管节对应的椭圆柱面获得整个隧道的三维收敛变形。

2.根据权利要求1所述的一种圆形隧道收敛变形的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中每一激光扫描测站之间的间距由隧道半径决定，隧道半径越小则激光扫描测站间距越小。

3.根据权利要求1所述的一种圆形隧道收敛变形的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中隧道三维点云分割在点云后处理软件中进行，点云后处理软件删除与管节距离大于设定值的点。

4.根据权利要求3所述的一种圆形隧道收敛变形的测量方法，其特征在于，所述点云后处理软件为Cylone、Polyworks、Realworks Survey、Geomagic中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种圆形隧道收敛变形的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中根据最小二乘法进行圆柱面的拟合，通过最小二乘法获取五个待定参数y₀、z₀、λ、、R，根据五个待定参数将点云拟合为圆柱面，其中，y₀为管节轴线上固定点的y轴坐标，z₀为管节轴线上固定点的z轴坐标，λ为管节轴线方向单位向量投影到xy平面后与x轴的夹角，为管节轴线方向单位向量与xy平面之间的夹角，R为待拟合的圆柱面半径。

6.根据权利要求1所述的一种圆形隧道收敛变形的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中圆柱面根据管节轴线点坐标进行坐标变换包括：圆柱面向绕z轴旋转，再绕y轴旋转，最终通过平移使管节轴线与x轴重合，并使直角坐标系原点位于管节轴线上。

7.根据权利要求1所述的一种圆形隧道收敛变形的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中圆柱面根据轴线点坐标进行降噪处理具体 为：坐标变换后将直角坐标系转换为柱坐标系，再基于误差分布的统计方法删除噪声点。

8.根据权利要求7所述的一种圆形隧道收敛变形的测量方法，其特征在于，所述基于误差分布的统计方法删除噪声点具体为：管节以1°为区间分为360组，针对每一组点云数据，求取这组点云数据在柱坐标系下的径向坐标的标准差，再将每个点的径向坐标减去隧道内径得到的差值与标准差进行比较，将差值大于3倍标准差的点作为噪声点，将其删除。