[发明专利]一种隧道三维成像方法及系统

说明书

本发明公开了一种隧道三维成像方法及系统，属于交通隧道检测成像技术领域。本发明将激光扫描与超声波探测技术结合，通过保持激光扫描成像仪与超声换能器的相对位置固定，将激光扫描成像仪的光轴与超声换能器的声波发射方向平行布置的方式，测定超声换能器与激光扫描成像仪的相对位置，将超声换能器检测的的反射信号所表征的一维数据，即反射面的深度结果转换为反射面的三维坐标，并能与隧道表面点云模型的坐标数据相对应，从而能够整合至激光扫描得到的点云数据中共同进行重建，得到包含隧道表面及深层构造的三维图像。

技术领域

本发明属于交通隧道检测成像技术领域，具体涉及一种交通隧道表观及内部三维成像方法及系统，主要面向于隧道表面及隧道管片背后缺陷结合的三维成像。

背景技术

在现代，伴随计算机绘图技术的发展，在交通隧道设计初期就绘制三维设计规划图已经成为常态。而早先建成的存有手绘图纸的隧道也可以通过计算机临摹绘制的方式获得电子图纸，进而进行三维建模。但是，由于火车诞生较早，在我国有大量火车隧道建成于计算机绘图技术诞生之前，且有相当一部分火车设计图纸因时间原因已经丢失，如何对这部分火车隧道进行三维建模成为亟需解决的问题。

此外，由于运营时间的问题，新老交通隧道均会不同程度出现病害，例如表观缺陷或管道背后空洞等问题。在运营期，部分隧道因其总里程较长，病害出现点分散，采用人工检测已经不能满足隧道日常养护维修的需求。

传统的检测方法例如激光扫描法只能针对隧道表观进行三维建模，而超声波探测法虽然可以探测隧道管片背后的缺陷，但现有超声波探测技术均只专注于探测缺陷大致位置，且需要检测人员具有丰富的经验才能判断出缺陷类型及大致形状，且缺乏形成三维图像的相应手段，导致无法针对隧道管片背后的注浆层及土层和缺陷进行三维建模。

发明内容

根据现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种隧道三维成像方法及系统，将激光扫描与超声波探测技术结合，通过测定超声换能器与激光扫描成像仪的相对位置，将超声换能器检测的反射层深度数据转换为坐标并整合至激光扫描得到的点云数据中共同进行重建，从而能够建立包含隧道表面及深层构造的三维图像。

为了实现上述目的，本发明提供了一种隧道三维成像方法，包括如下步骤：

(1)保持激光扫描成像仪与超声换能器的相对位置固定，将激光扫描成像仪的光轴与超声换能器的声波发射方向平行布置，通过激光与超声波同步扫描隧道，利用激光扫描隧道表面获取隧道表面点云中所有点在世界坐标系下的三维坐标；同时使用超声波纵波垂直于隧道表面扫描对应的激光扫描区域背后的注浆及土层，确定反射界面的深度及各反射界面的反射次数，并记录超声换能器的三维坐标；

(2)根据隧道表面点云生成隧道表面点云模型；根据超声换能器的三维坐标以及反射界面的深度获取反射界面坐标，根据反射界面坐标在隧道表面点云模型中添加反射界面点云，从而获得包含反射界面点云及隧道表面点云模型的原始点云模型；

(3)将原始点云模型按照超声波反射次数进行区域划分，将原始点云模型划分为沿隧道轴向排列的多个区域；其中，

反射次数最少的区域为正常区域，仅有隧道基础构造分层界面的反射信号；其余区域为缺陷区域，包括隧道基础构造分层界面的反射信号以及缺陷部位界面的反射信号；

(4)将正常区域内隧道基础构造分层界面的反射界面点云进行重建，获得正常区域内隧道基础构造的三维轮廓；根据缺陷区域中的反射信号接收次序、正常区域内隧道基础构造分层界面的反射强度以及实际隧道基础构造的分层，确认缺陷区域内隧道基础构造的分层界面以及缺陷部位的反射界面；