[发明专利]基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，采用骨架线里程投影法和断面轮廓线投影法将任意形状设计断面轮廓的隧道激光雷达点云数据展开成可量测激光雷达隧道正射影像图并以此为参照底图在其上以半透明方式叠加目标量彩色数值分析图。本发明还提供了对应的方法。本发明生成的激光雷达隧道正射影像是可以真实反映隧道内壁尺寸、位置的可量测影像，并可以生成包含“4D”信息的隧道正射影像图平面用户报告向隧道结构检测用户直观展示三维的隧道内壁各个部位的断面变形量、平整度。能够如实量测出裂缝、渗水等隧道病害的长度、宽度、面积，从而计算出病害的几何尺寸。为隧道病害的评估和修复提供科学数据，极大提高了隧道检测的生产效率。

主权项

1.一种基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，其特征在于：包括，点云文件输入模块、点云数据管理模块、点云数据投影处理模块、激光雷达影像生成模块；所述点云文件输入模块将地面激光雷达获取的带有与隧道骨架线坐标系一致的原始三维点云数据集RD(Nk,Ek,Hk,RLk)，通过隧道的骨架线里程投影法得到点k的隧道骨架线里程Mk；然后按照Mk分段的里程长度范围将原始三维点云数据集RD分成多个点云分段数据集NDj(Mi,Ni,Ei,Hi,RLi)；其中，Nk为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系北坐标，Ek为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系东坐标，Hk为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系高程坐标，RLk为第k个激光点反射回来的激光反射强度；k表示原始三维点云数据集中点的编号，j表示分段后的点云数据集的编号，i表示每个分段后的点云数据集中点的编号，NDj表示第j个分段后的点云数据集，其中Mi表示第j个分段后的点云数据集中第i个点的隧道骨架线里程，Ni表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系北坐标；Ei表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系东坐标；Hi表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系高程坐标；RLi表示第j个分段后的点云数据集中第i个激光点反射回来的激光反射强度；所述点云数据管理模块按照原始文件名结合每个分段点云NDj所覆盖的隧道骨架线里程Mi来管理点云文件输入模块处理好的各个点云文件NDj；所述点云数据管理模块用于提供一个用户界面的入口；所述点云数据投影处理模块根据断面轮廓线投影法将点云文件输入模块中获得的多个点云分段NDj数据集中的每个点按照其对应的骨架线里程Mi，分别投影到该点对应的隧道骨架线里程处的隧道二维断面坐标系OXY中，投影后点i的断面坐标系坐标记为(Mi，Pxi，Pyi)；同时记录点i距离对应的Mi处断面坐标系原点的法线长度Pzi，点i对应的Mi处断面坐标系原点的法线与隧道设计轮廓线的交点DPi到该断面坐标系原点的法线长度DPzi和点i对应的Mi处断面坐标系原点的法线和设计断面轮廓线的交点DPi沿设计断面轮廓线到达DP0点的断面轮廓线最短长度Ppi，根据ΔPzi＝Pzi‑DPzi计算实测断面上点i沿法线方向与设计断面轮廓线的差异值ΔPzi，其中，DP0点为设计断面轮廓线与断面坐标系Y轴正方向的交点；点云数据投影处理模块将最后获得的数据结果组成骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,ΔPzi,Ppi,RLi)，更新到数据库中存储；所述激光雷达影像生成模块将点云数据投影处理模块生成的每个点i的骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,Ppi,RLi)转换成影像坐标系坐标数据集Ij(IRi,ICi,IGi)从而获取隧道正射影像，其中IRi为点i对应的像素在影像中所在行数，ICi为点i对应的像素在影像中所在列数，IGi为点i对应的像素灰度；Pj和Ij之间的换算关系为ICi＝(Mi‑Ma)/L/RS，IRi＝Ppi/RS，IGi＝GS×RLi；其中，Ma为起点里程，L为每幅影像覆盖的隧道长度，RS表示隧道正射影像的分辨率，分辨率用像素的宽度表示，单位为米，GS为激光反射强度值与影像灰度值之间的一个固定比例常数。