[发明专利]隧道轴线拟合方法及在超欠挖方量计算上的应用

说明书

本发明公开了一种隧道轴线拟合方法及在超欠挖方量计算上的应用，包括A.隧道点云数据的预处理步骤，依次包括数据拓扑结构建立、数据滤波、数据压缩、数据拼接和特征拟合步骤。基于预处理结果进行隧道轴线拟合的步骤，依次包括对预处理结果中的初砌面部分进行表面法向量评估的步骤，和在表面法向量评估后进行的隧道轴线拟合步骤。本发明对于存在噪声的、无序原始数据进行了拓扑结构固定、噪声过滤和数据压缩，进而减小后续过程的计算量，降低计算难度，还对数据进行了拼接和特征拟合，以突出数据集特征，提高数据有效性，进一步提高计算效率，本发明对初砌面部分表面法向进行修正，提高了轴线拟合的准确性。

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，尤其是一种基于激光点云数据的隧道轴线拟合方法，以及该方法在超欠挖方量计算上的应用。

背景技术

在山区地带，无论是修建铁路工程还是公路工程，都需要开挖大量隧道。而在目前隧道施工中使用的主要方法为钻爆法，超欠挖情况不可避免。而隧道的超欠挖会直接影响到施工建设的成本和周期。如果不对超欠挖情况进行监控，可能还会产生较大的安全生产事故。

通常，在超欠挖分析前，我们需要首先确定隧道施工轴线。隧道轴线的常见车辆方法为使用传统测量方法，如利用全站仪。他其只能进行单点分析，而测量点的选取依赖操作人员经验，且数据获取效率低，影响施工进度。

随着三维激光扫描仪的普及和扫描技术的发展，使用点云来进行真实空间测量的成本越来越低，而效率和精度在逐渐提升。一些研究将三维激光扫描技术应用到隧道工程中。如托雷将三维激光扫描技术应用到了地铁隧道变形检测中，提出了隧道断面连续截取方法，但对于施工中的隧道其算法并不能准确拟合出轴线位置。又如许磊提出了一种基于激光点云的隧道超欠挖检测方法，但其隧道中线测取需要单独进行，实际操作比较耗时费力。

综合目前的研究情况来看，还没有一种操作简单、计算快速、准确性高的隧道轴线测算方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于激光点云数据的隧道轴线拟合方法。以采用三维扫描进行数据采集和后续处理的方式，通过简单操作完成原始数据的采集，再通过相应算法的设计，快速、准确地拟合出隧道轴线。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于激光点云数据的隧道轴线拟合方法，包括以下步骤：

A.隧道点云数据的预处理步骤，依次包括数据拓扑结构建立、数据滤波、数据压缩、数据拼接和特征拟合步骤，所述隧道点云数据为通过三维激光扫描系统对开挖隧道进行扫描后得到的三维点云数据；

B.基于预处理结果进行隧道轴线拟合的步骤，依次包括对预处理结果中的初砌面部分进行表面法向量评估的步骤，和在表面法向量评估后进行的隧道轴线拟合步骤。

采用三维激光扫描技术采集原始开挖数据，操作简单，人工成本低。对于隧道点云数据进行数据拓扑结构的建立，可以降低后续数据计算过程的计算难度，数据滤波步骤的设计可以去除不可避免的粉尘噪声，从而提高原始数据的准确性，数据压缩步骤可以减少后续过程的计算量，数据拼接步骤为将若干采集的视角拼接为一整体，从而从整体上还原出现场以进行后续处理，整体上的计算较分视角的计算可以减小分布计算结果合并时，误差的同时合并而给整体上带来较大的误差，特征拟合步骤可以自动过滤掉异常值，提取出样本数据集的特征来进行计算，提高后续计算所用到的样本数据集的准确性。此外，通过对初砌面部分进行表面法向量的评估，可以平滑初砌面部分点云表面，从而修正初砌面部分表面法向量，使得对于后续过程中，对于轴线的拟合更为准确。

进一步的，所述步骤B中，对初砌面部分进行表面法向量评估的方法为：采用移动最小二乘法对初砌面部分进行表面法向量评估。

进一步的，所述步骤B中，在表面法向量评估后进行的隧道轴线拟合的方法为：采用主成分分析法拟合隧道的轴线方向。