[发明专利]地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法

说明书

本发明提出的是一种地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，包括如下步骤：（1）基于2D投影法提取隧道轴线点；（2）构建轴线MST；（3）基于SG滤波进行隧道轴线平滑；（4）基于改进RANSAC算法进行轴线分割；（5）总体最小二乘轴线拟合。本发明采取先分割后拟合的策略，实现隧道轴线方程的分段表达；降低分割的复杂度，实现对隧道要素的精确分割；使用总体最小二乘方法拟合隧道轴线，降低对噪声的敏感程度。

技术领域

本发明涉及的是一种地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，属于隧道断面测量技术领域。

背景技术

使用地基式三维激光扫描对地铁隧道进行变形监测是当前地铁隧道监测的一种趋势，与传统隧道变形监测方式相比，地基式三维激光具有无接触、无损害、效率高、精度高、全天时、全天候等优点。现有技术针对利用地基式三维激光进行隧道变形监测的方法进行了大量研究，现有检测方法中，应用最为广泛的方法是提取隧道断面，然后通过对比不同时期的隧道断面来分析隧道的健康状况。在提取隧道断面时，最关键的步骤就是提取隧道轴线来确定隧道在空间中的姿态，以保证提取的隧道断面和隧道走向严格正交。

隧道轴线提取方法较多，如文献“托雷. 基于三维激光扫描数据的地铁隧道变形监测[D]. 中国地质大学(北京).”提出了一种“基于投影提取隧道轴线”的方法，该方法将隧道点云投影到XOY面、XOZ面内，在两个二维平面内，提取隧道的边界，然后基于边界提取投影后的隧道轴线方程，将两个二维轴线方程联合即得到隧道轴线在空间中的方程。这方法可以快速提取隧道轴线点，但该方法对于非线性隧道、线性和非线性混合隧道无法通过拟合获取完整的隧道轴线方程。

文献“Xie X , Lu X . Development of a 3D Modeling Algorithm for TunnelDeformation Monitoring Based on Terrestrial Laser Scanning[J]. UndergroundSpace, 2017:S2467967417300120.”中也提出了“基于隧道圆柱面拟合的方法”来提取隧道轴线。该方法事先将隧道人工进行分段，然后对分割后的隧道点云使用圆柱面进行拟合，拟合得到的圆柱面的轴线作为隧道轴线。由于采用的是逐段拟合的方法，所以该方法提取的隧道轴线不连续。此外，由于该方法采用的是圆柱面拟合求取隧道轴线，所以对于非线性隧道、线性和非线性隧道连接处，轴线提取结果偏差较大。综上所述，当前存在的隧道轴线提取方法尚不能精确提取、非线性轴线、线性和非线性混合隧道轴线。此外，传统方法尚不能完全克服隧道内外噪声点、离值点对轴线提取的干扰。

发明内容

本发明的目的在于解决现有各种隧道轴线提取方法存在的上述缺陷，提出一种从地基式三维隧道点云中提取隧道轴线，并对隧道轴线进行分割的方法，采取先分割后拟合的策略，实现隧道轴线方程的分段表达；降低分割的复杂度，实现对隧道要素的精确分割；使用总体最小二乘方法拟合隧道轴线，降低对噪声的敏感程度。

本发明的技术解决方案：地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，包括如下步骤：

（1）基于2D投影法提取隧道轴线点；

（2）构建轴线MST（Minimum Spanning Tree，最小生成树）；MST的构建首先将轴线点以邻接多重表的方式进行存储，并生成无向图，然后以距离最为权重，对无向图进行最大深度遍历获取轴线的MST；

（3）基于SG滤波的隧道轴线平滑；SG（Savitzky-Golay）滤波是一种基于局部多项式拟合的滤波方法。该滤波方法从轴线点的第i个点开始，创建一个的一个窗口，对该窗口的轴线点使用多项式方程进行拟合，然后插值得到第i个点的坐标。这样从第i点起，对轴线点逐个进行上述处理得到最终滤波后的点；