[发明专利]一种基于特征变换的隧道拱架点云自动提取方法及装置

说明书

本发明提供一种基于特征变换的隧道拱架点云自动提取方法及装置。该方法首先通过将隧道曲面点云特征变换为平面点云特征，然后采用地面滤波算法提取拱架点云，数学理论严密，方法具有很强的鲁棒性；适用于在拱形和马蹄形隧道开挖场景下，从获取的隧道轮廓点云中，自动提取支护拱架(工字钢型和花拱型)点云；并且，本发明不受获取点云数据传感器类型的影响，可以有效从双目视觉或激光雷达所获取的点云数据中自动提取拱架点云；也不受拱架表面材质、粗糙度等特征变化的影响，能较好地提取出拱架点云及其准确位置。

技术领域

本发明涉及地下工程应用的工程装备技术领域，尤其涉及一种基于特征变换的隧道拱架点云自动提取方法及装置。

背景技术

目前，随着国家在基础设施建设上的稳步投入，隧道的施工量呈上升趋势，但是隧道施工存在着危险系数高、工作环境恶劣等特点，而目前的隧道施工设备智能化程度不高，加上人口老龄化等问题，已经不能满足隧道行业快速发展需要。

隧道支护作业是隧道施工中不可缺少的一环，其中拱架的位置信息对于锚杆主动支护和喷射混凝土支护作业都十分重要。近年来激光雷达扫描技术能快速获取隧道三维点云数据，在隧道施工超欠挖分析和隧道变形监测等方面的应用日益成熟，而在隧道施工智能化装备的自主感知隧道环境领域尚不成熟。例如隧道中钢拱架(工字钢拱架和花拱)的检测与识别，隧道喷涂支护质量的自动分析评测等。激光雷达扫描系统为隧道设备智能化施工提供基础空间测绘信息，是智能化设备感知周围环境的一种重要传感器，在隧道支护作业环节的拱架检测和识别技术方面应用较少，而拱架位置检测和识别是隧道设备智能化技术中的关键技术，也是隧道施工智能化设备环境感知内容的重要组成部分。

隧道施工智能化装备自主检测、识别拱架的方法(专利文献CN109407111 A提供了一种隧道三维扫描机特征识别的方法)目前尚不成熟，现有方法鲁棒性差，无法同时克服以下几点问题：首先，隧道围岩条件不同，所立拱架规格不同；其次，不同的扫描方式，例如扫描仪的光斑不同、激光的入射角度不同等等，都会导致拱架在点云数据中的表现形式不同；再次，某些隧道施工装备需要向拱架区域喷涂混凝土，拱架表面会覆盖一层厚度不一、粗糙不平的混凝土，导致拱架表面特征发生巨大变化；最后，考虑到施工方在实际施工中由于各种因素的影响，往往并未按照标准的施工规范作业，这又为评估拱架点云检测和识别算法的性能，增加了不确定性影响因素。

发明内容

针对现有的拱架点云提取方法存在鲁邦性差的问题，本发明提供一种基于特征变换的隧道拱架点云自动提取方法及装置。

一方面，本发明提供一种基于特征变换的隧道拱架点云自动提取方法，包括：

步骤1：获取立过拱架的隧道开挖面点云P，对所述点云P进行预处理和去冗余处理，得到消除冗余数据的隧道点云P₂；

步骤2：构建以开挖方向为x轴的空间直角坐标系C_S；

步骤3：剔除隧道点云P₂的地面点，获取不含隧道底部数据的隧道点云P₃，将隧道点云P₃所在的隧道点云坐标系记为原始隧道点云坐标系C_O；

步骤4：计算原始隧道点云坐标系C_O与空间直角坐标系C_S之间的变换矩阵M，根据所述变换矩阵M将隧道点云P₃变换为空间直角坐标系C_S下的隧道点云P₄；

步骤5：将隧道点云P₄投影到以开挖方向为法向的平面上，得到平面直角坐标系下的二维隧道点云P₅，并构建三维隧道点与二维隧道点之间的映射关系f₁；

步骤6：统计二维隧道点云P₅的点密度信息，选取n个密度区间；