[发明专利]一种基于激光数据的隧道变形监测方法、设备及存储设备

权利要求书

1.一种基于激光数据的隧道变形监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：利用激光扫描仪扫描隧道，采集所述隧道不同期的点云数据；

S2：根据不同期的点云数据类型的不同，采用不同的方法对所述点云数据进行滤波去噪；

S3：根据隧道相邻测站间的衔接部分布设的控制标靶，对同一期相邻测站间的点云数据进行拼接；

S4：利用所述控制标靶，对拼接好的不同两期的点云数据根据配准模型进行配准，转换至同一坐标系中；

S5：根据在同一坐标系中的点云数据，对隧道进行全局拟合，确定与隧道轴线平行的提取剖面基线；

S6：根据所述提取剖面基线，对隧道走向的点云数据进行正交方向的断面截取，得到点云剖面；

S7：利用M3C2的方法处理所述点云剖面；

S8：根据M3C2的方法而得到的两点云剖面之间的距离，即监测到的隧道变形量。

2.如权利要求1所述的一种基于激光数据的隧道变形监测方法，其特征在于：在步骤S1中，所述扫描仪为激光扫描仪，以分站式扫描的方式采集点云数据。

3.如权利要求1所述的一种基于激光数据的隧道变形监测方法，其特征在于：在步骤S2中，所述点云数据类型的不同，采用不同的方法进行滤波去噪包括：有序的点云数据，采用包括标准高斯的方法、平均值的方法进行滤波去噪；散乱的点云数据，主要包含团状噪声和孤立点噪声，在栅格网拓扑重建的基础上，采用离散点的K邻域的方法进行滤波去噪。

4.如权利要求1所述的一种基于激光数据的隧道变形监测方法，其特征在于：在步骤S3中，所述控制标靶均匀布设的数量为4～5个；以第一个测站为基准站，其后的一个测站分别与相邻的前一个测站进行点云数据的拼接。

5.如权利要求1所述的一种基于激光数据的隧道变形监测方法，其特征在于：在步骤S4中，所述配准的步骤包括：根据已知控制点解算不同空间坐标系间的转换关系；根据坐标系间的转换关系，以其中的工程坐标系为基准，将其它坐标系下的点云转换到所述工程坐标系中；配准模型如公式(1)所示：

其中，P_c＝(x_c,y_c,z_c)为使用所述扫描仪得到所述控制标靶的独立坐标，P_a＝(x_a,y_a,z_a)为使用全站仪得到所述控制标靶的工程坐标，Δx,Δy,Δz为平移参数，φ,ω,κ为两个点云坐标向量与坐标轴之间的夹角，也是坐标旋转参数，R(φ,ω,κ)为旋转矩阵，R(φ,ω,κ)的公式如公式(2)所示：

解算坐标转换关系中的7参数：坐标缩放系数，平移三参数，坐标旋转三参数，因为默认两个不同坐标系内的长度比值一样，所以坐标缩放系数取值为1，所述配准模型中，存在6个待求参数平移三参数Δx,Δy,Δz，坐标旋转三参数φ,ω,κ，通过正交矩阵存在的如公式(3)、(4)所示的关系：

根据配准模型，结合公式(1)～(4)，把待求参数按级数展开得到误差方程如公式(5)所示：

其中，V为平差的误差方程，B为系数阵，为待求参数，L为常量，且

然后根据间接平差计算出坐标转换关系中的参数的估值以及精度。

6.如权利要求1所述的一种基于激光数据的隧道变形监测方法，其特征在于：在步骤S5中，所述确定与隧道轴线平行的提取剖面基线是指：通过旋转矩阵基于相应的角度分量对基线进行姿态调整，在局部坐标系中变换得到的提取剖面基线；所述局部坐标系是指：以隧道前进的方向为Y轴，隧道剖面的方向为X轴，垂直方向为Z轴，建立的坐标系。

7.如权利要求1所述的一种基于激光数据的隧道变形监测方法，其特征在于：在步骤S6中，提取的剖面高度以及相邻剖面的间距都为固定值。