[发明专利]地基式点云的隧道断面提取方法

说明书

本发明提出的是一种地基式点云的隧道断面提取方法，包括如下步骤：（1）计算提取断面位置处的中心坐标；（2）确定隧道断面方程；（3）确定隧道断面内射线方程；（4）确定断面点；（5）断面拟合及重采样。本发明采用更贴合隧道表面形状的圆柱面进行局部拟合，克服隧道表面噪声的影响，能够自适应不同的隧道点云密度，对于非均匀的隧道点云也能够顺利的提取出隧道断面；同时对提取的断面点做了进一步的拟合及重采样处理，进一步适应点云的非均质性和一定程度上弥补部分缺失部位点云。

技术领域

本发明涉及的是一种地基式点云的隧道断面提取方法，属于隧道断面测量技术领域。

背景技术

地铁交通是解决城市化进程中交通拥挤问题的有效办法，然而复杂的地下空间结构、地面、周边建筑物负载及土体扰动等都对隧道安全造成了很大隐患，同时由于地铁线路多分布在城市繁华、建筑和人群都较为密集区域，地铁隧道结构安全的安全监测尤为重要。

隧道的安全监测主要依靠隧道断面测量。传统的隧道断面测量主要使用全站仪或者收敛计对每个隧道断面进行测量：基于全站仪的人工测量方法所需观测时间长，劳动强度大，观测精度受到人为影响和环境影响较多；同时由于隧道内的监测点有限，所以无法反应隧道整体的变形趋势。使用收敛计进行测量时需事先在待测点位上安装固定挂钩，然后将收敛计悬挂在两端的挂钩上进行测量；该方法虽然可以获取很高的测量精度，但是这种接触式的测量不仅费时费力，而且会对盾构体产生破坏。因此，隧道断面测量需要一种高精度、高效率、自动化的测量方式，而地面三维激光扫描仪正是一种理想的隧道测量仪器，使用地面激光扫描的优势除了扫描精度高、测量速度快之外还具有与隧道无接触、对隧道内光线条件没有要求，甚至可以在漆黑的环境下进行工作等优势。因此，使用地面激光扫描仪可以全天时、全天候对隧道进行三维激光扫描，以全方位获取完整的隧道点云，隧道点云经处理后可获得准确的隧道断面半径及隧道断面中心点。

基于地面激光扫描技术，现有技术中主要采用点到隧道横断面投影法或者局部二次曲面拟合法来从隧道点云中提取隧道断面。文献“Qiu W , Cheng Y J . High-Resolution DEM Generation of Railway Tunnel Surface Using Terrestrial LaserScanning Data for Clearance Inspection[J]. Journal of Computing in CivilEngineering, 2016:04016045.”提出的点到隧道横断面投影法首先使用投影法提取隧道轴线，依据该轴线构造隧道断面，搜索隧道断面一定范围的点云，依据该点云对隧道断面进行调整使其严格垂直于隧道走向，然后，再取调整后的断面一定范围内的点云，并将其投影到隧道断面内作为隧道断面点。虽然该方法可以提取出隧道断面，但是这种方法提取的隧道断面有以下缺陷：①断面具有一定厚度，影响断面拟合精度，②提取的断面内包含隧道内衬附着物噪声，③容易受到电箱、施工工具等遮挡影响产生断面点缺失。

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).”提出的局部二次曲面拟合法首先获取隧道轴线数据，依据该轴线把隧道点云旋转至与一条坐标轴平行的方向，然后在垂直于轴线的360°方向上提取局部点云，并将其拟合成二次曲面，然后插值得到各方向上的断面点。虽然该方法可以克服部分隧道内衬附着物噪声，但是由于该研究采用了一般二次曲面方程进行拟合，因此对于噪声仍比较敏感。

综上所述，当前存在的从隧道点云中提取断面的方法中所存在的问题是无法克服隧道内衬表面噪声的影响，而在实际中，隧道表面包含的大量的电灯、管线、支架等设备，如何克服隧道表面噪声的影响是一个急需解决的问题。另外当前算法对数据缺失也比较敏感，当点云密度变化较大时，传统方法往往很难精确提取连续的隧道断面。

发明内容