[发明专利]一种隧道岩壁特征物识别方法

说明书

本发明提出了一种隧道岩壁特征物识别方法，用以解决现有人为识别拱架主观性强、隧道岩壁喷涂效果差的问题。本发明的步骤为：利用激光扫描仪对隧道岩壁进行三维扫描，获取包含隧道岩壁特征物信息的点云数据；利用法线差分算法对点云数据进行处理，得到所有点云的法线差分值组成线差分特征向量；利用欧式聚类方法将线差分特征向量划分为不同聚类类别，实现隧道岩壁特征物的识别；获取识别后隧道岩壁特征物的三维坐标。本发明实现了隧道岩壁钢拱架的分类与空间位置的精准确定，可以指导后续的自动化喷浆作业。本发明可反馈给湿喷台车上位机，便于开发人员根据识别的钢拱架三维坐标制定湿喷机臂架和喷枪的路径规划，从而实现后续的自动化喷浆作业。

技术邻域

本发明涉及隧道工程施工的技术邻域，尤其涉及一种隧道岩壁特征物识别方法。

背景技术

隧道钻爆法施工以控制爆破为开挖方法，在隧洞中按照设计尺寸挖凿土石后，对隧道裸露岩壁进行初期支护，尽可能保持围岩的稳定性，并形成稳定的洞室。在隧道钻爆法施工过程中，现有初期支护手段主要包括打锚杆、铺设钢筋网、立拱架。在对隧道裸露岩壁进行初期支护后，操作人员通过手柄控制湿喷机进行喷涂作业，通常需要人为观察确定拱架位置，并控制手柄将臂架和喷枪移动至相邻两榀拱架之间的区域进行混凝土喷射作业，但受操作人员主观性的影响，人为识别拱架存在较大偏差，导致钢拱架表面的混凝土覆盖厚度超过喷涂控制标准，不能满足现场施工要求。另一方面，钢拱架表面混凝土的覆盖厚度过大，后期还需要人为铲掉，造成后续施工工序不能按时进行。因而，如何准确识别隧道岩壁钢拱架位置对于保证喷涂质量、节省喷涂施工时间、保证后续施工工序的良好衔接具有重要意义。

目前，三维激光扫描技术作为一种新型测量技术，以测量精度高、扫描速度快在隧道施工中应用越来越广泛。通过激光扫描仪对隧道轮廓进行全景扫描，获取包含隧道岩体特征物的三维点云数据。基于三维点云数据，大多数研究集中于隧道超欠挖测量，较少集中于隧道岩壁特征物识别以辅助喷涂作业的研究。因而，本发明专利提出了一种利用三维点云数据的隧道岩体特征物识别方法，通过准确识别初期支护钢拱架位置坐标，指导后续的自动化喷浆作业。

发明内容

针对现有人为识别拱架主观性强、隧道岩壁喷涂效果差的技术问题，本发明提出一种隧道岩壁特征物识别方法，通过点云数据获取、非目标物剔除、钢拱架点云识别，实现了隧道岩壁钢拱架的分类与空间位置的精准确定，可以指导后续的自动化喷浆作业。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种隧道岩壁特征物识别方法，其步骤如下：

步骤一：利用激光扫描仪对隧道岩壁进行三维扫描，获取包含隧道岩壁特征物信息的点云数据；

步骤二：利用法线差分算法对点云数据进行处理，得到所有点云的法线差分值组成线差分特征向量；

步骤三：利用欧式聚类方法将线差分特征向量划分为不同聚类类别，实现隧道岩壁特征物的识别；

步骤四：根据步骤三识别出来的隧道岩壁特征物，获取识别后隧道岩壁特征物的三维坐标。

进一步地，所述隧道岩壁特征物为钢拱架；识别后的钢拱架的三维坐标反馈给湿喷台车上位机，可制定湿喷机臂架和喷枪的路径规划，实现自动化喷浆作业。通过对隧道岩壁上钢拱架的识别可以指导湿喷台车，实现自动化喷浆。

进一步地，所述步骤一中的激光扫描仪设置在距离隧道岩壁钢拱架10～15m的位置，且在距离激光扫描仪5～10m处放置球形棱镜标靶；通过在隧道中架设全站仪对激光扫描仪进行测量和绝对定位，获取激光扫描仪在隧道中的大地绝对坐标。根据大地绝对坐标可以将点云数据转化为大地坐标系，方便点云数据的处理。

进一步地，所述步骤一中点云数据的类型包括X坐标、Y坐标、Z坐标及点的反射强度值。根据反射强度值可以实现点云数据的滤波处理。