[发明专利]基于三维激光扫描技术的圆形盾构隧道断面拟合方法

说明书

本发明公开一种基于三维激光扫描技术对长距离盾构隧道进行数据采集及断面椭圆拟合的方法，该方法能快速采集隧道点云数据并对隧道断面点云拟合，以便检测隧道变形情况。所述方法包括：S1、根据隧道的长度、内径尺寸、曲率半径等，选择合适的扫描方式、测站间距和扫描分辨率，在两个测站之间布设球型标靶，在隧道轴向左右两侧衬砌管片上交替布设平面十字标靶纸，并采用全站仪+小棱镜的方法测量平面十字标靶纸的坐标；S2、预处理采集得到的点云数据并截取隧道断面，数据预处理过程包括点云拼接，点云去噪及点云简化过程；S3、结合随机原理与最小平方中值法拟合提取的隧道断面，并采用莱特准则确定阈值进行优化。本发明的优点是，隧道点云数据采集速度快，椭圆拟合结果精度较高。

技术领域

本发明属于盾构隧道测量技术领域，具体涉及一种用于基于三维激光扫描技术对长距离圆形盾构隧道高效采集数据及对隧道断面进行椭圆拟合的数据处理方法。

背景技术

近年来，我国各大城市正在大力发展城市轨道交通工程。在施工期间隧道周边的岩土岩石等介质的力学行为时刻在变化，地层与结构的相互作用机理并不明确，为保证隧道施工与运营的安全性，对隧道进行变形检测是十分必要的。

传统的变形测量方法有收敛计、大地测量、巴塞特收敛系统、GPS接收机测量，这些技术只能提供单个离散点的观测数据，无法全面反映隧道的变形情况，测量效率较低。三维激光扫描技术通过激光测距的方法获取被测物体的三维点云坐标，可以全面的采集隧道的整体信息，且具有较高的精度。

三维激光扫描仪的单站测距有限，对于长距离隧道，需要进行多站测量，由于现场工期等原因，外业测量时间受限；且由于隧道空间单一，具有较少的特征点，故而对测站拼接方式提出较高的要求；隧道断面中心点坐标X_c、Y_c及椭圆度Δ是成型盾构隧道竣工验收、隧道运维期间变形检测的关键量。针对上述问题，本发明提供一种基于三维激光扫描技术对长距离圆形盾构隧道高效采集数据及对隧道断面进行椭圆拟合的数据处理方法。

目前多用基于代数距离的最小二乘法对隧道断面进行椭圆拟合，该方法算法简单、易实现，但该方法将所有样本点都当作准确值，有噪声时拟合误差较大，精度下降。本发明针对上述点云数据拟合椭圆方法的不足，结合随机原理与最小平方中值法对隧道断面进行椭圆拟合，并应用莱特准则进行优化。

发明内容

本发明旨在提供一种用于长距离圆形盾构隧道变形检测的地面三维激光扫描数据的高效采集方法，并针对现在盾构隧道点云数据拟合椭圆方法的不足，结合随机原理与最小平方中值法对隧道断面进行椭圆拟合，最后应用莱特准则进行优化。

基于三维激光扫描技术的圆形盾构隧道断面拟合方法，该方法的具体实现步骤如下：

S1、制定适合于长距离隧道的数据采集方法，包括：

S1.1根据设计图及现场考察结果确定的隧道的内径尺寸、长度、曲率半径等，选择合适的扫描方式、测站间距和扫描分辨率。

S1.2在两个测站之间布设球型标靶，用于测站之间的拼接。

S1.3在隧道轴线方向左右两侧管片上交替布设平面十字标靶纸，并采用全站仪加小棱镜的模式测量平面十字标靶纸中心点的绝对坐标，扫描得到点云数据。

S2、对采集得到的点云数据进行预处理并截取断面，包括：

S2.1点云拼接：将扫描所得数据导入点云后处理软件中，运用对每两个测站间的球型标靶位置的识别与匹配进行两两测站的拼接，导入平面十字标靶纸中心点的坐标，最终得到整条隧道的点云坐标数据。

S2.2点云去噪：去噪方法有人工手动剔除噪点、反射率过滤、删除体外孤点和非连接项等方法。

S2.3点云简化：对数据进行简化，常用的采样简化方法有统一采样、曲率采样、格栅采样和随机采样。本方法采用格栅采样方法进行点云简化。