[发明专利]一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法

权利要求书

1.一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将三维激光扫描仪的扫描起始方向或激光雷达的镜头朝向方向设为坐标系的X轴方向，并与隧道行车方向相对设置，三维激光扫描仪或激光雷达扫描以获得原始检测数据；将原始检测数据整平处理，得到原始点云数据D；

步骤二、将原始点云数据D进行YOX平面的投影，得到二维点云坐标D_Y；将原始点云数据D进行ZOX平面的投影，得到二维点云坐标D_Z；

步骤三、以X坐标最小值X_min为起点值、最大值X_max为终点值，基于步长λ₁对二维点云坐标D_Y和二维点云坐标D_Z进行分段，得到N个Y坐标最大的二维点、N个Y坐标最小的二维点以及N个Z坐标最大的二维点，再分别将N个Y坐标最大的二维点、N个Y坐标最小的二维点以及N个Z坐标最大的二维点进行集合，得到二维点云坐标D_Y各个段落的Y坐标最大的二维点集合D_Y-Ymax、获得二维点云坐标D_Y各个段落的Y坐标最小的二维点集合D_Y-Ymin以及获得二维点云坐标D_Z各个段落的Z坐标最大的二维点集合D_Z-Zmax；所述N取大于等于1的自然整数；

步骤四、分别对二维点集合D_Y-Ymax、二维点集合D_Y-Ymin和二维点集合D_Z-Zmax通过最小二乘方法进行直线拟合，得到直线方程集合；并对直线方程集合进行聚类；

步骤五、基于聚类后的直线方程集合对二维点集合D_Y-Ymax、二维点集合D_Y-Ymin和二维点集合D_Z-Zmax中相应点云进行拟合，分别得到拟合线方程f(x)_Y-Ymax、拟合线方程f(x)_Y-Ymin和拟合线方程f(x)_Z-Zmax；

步骤六、基于拟合线方程f(x)_Y-Ymax、拟合线方程f(x)_Y-Ymin和拟合线方程f(x)_Z-Zmax，获得隧道三维轴线方程。

2.根据权利要求1所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，所述步骤四中得到直线方程集合的具体过程如下：

S4.1、设隧道轴线为圆曲线、单个隧道扫描点云轴向长度为S、该扫描区域的轴线圆心角为θ；

S4.2、以步长λ₂对二维点集合D_Y-Ymax在X轴方向进行分段，得到n段二维点云；

S4.3、依次对每段二维点云通过最小二乘方法进行直线拟合，得到直线方程集合L_Y-Ymax:{l₁,l₂,...,l_n}。

3.根据权利要求2所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，所述步长λ₂的计算公式如下：

其中：n为二维点集合D_Y-Ymax在X轴方向进行分段的段数，n取大于等于1的自然数。

4.根据权利要求2所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，所述步骤四中通过直线间夹角关系对直线方程集合进行聚类，得到的聚类直线集合；其聚类步骤方式如下：

若相邻直线角度差值绝对值小于则将其分为一类；如此将n段直线方程聚类为m类直线集合，其中：m取大于等于1的自然整数；

求取m类直线簇内直线平均斜率间的夹角α，将m类直线间夹角小于θ的进行保留，得到聚类直线集合L_Y-Ymax2，其中：L_Y-Ymax2相邻直线夹角

分别在二维点集合D_Y-Ymin和二维点集合D_Z-Zmax中计算得到聚类直线集合L_Y-Ymin2和L_Z-Zmax2，以获得的聚类直线集合即为隧道连续边界的点云分段拟合得到的直线集合。