采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法技术

本发明专利技术公开了一种采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法，该方法采用三维激光扫描获取隧道的各衬砌环点云数据，通过提取各衬砌环的点云数据，绕各衬砌环轴线中心位置平移旋转后至标准圆柱体按里程顺序排列，再将衬砌环内壁点云数据经等角正切投影展开至平面，最后利用投影后的点云反射率信息插值生成隧道内壁影像。本发明专利技术的优点是，采用本方法生成的隧道内壁影像的里程精度、主要特征物尺寸量算精度以及影像分辨率均较高，影像信息经人工或计算机视觉判读之后可提取隧道病害信息的位置、大小、面积、类型等；此外该方法可作为隧道维护的新技术手段，能大幅提高隧道巡检的定量分析能力。

【技术实现步骤摘要】
采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法
本专利技术涉及隧道内壁影像信息采集方法，具体涉及一种采用三维激光扫描反射率信息经投影与插值生成隧道内壁二维可量测影像的方法。
技术介绍
在城市轨道交通隧道维护工作中，通过对隧道内壁影像信息的判读可识别并量测附属设备的空间分布和表观病害信息。传统的影像获取一般采用人工光学照相，该采集方式受制于隧道内光线条件和作业时间限制，难以采集大量高精度的可量测隧道内壁影像。传统隧道内壁影像信息采集方法，主要采用单镜头或多镜头光学方式采集隧道内壁360°影像，然后经拼接处理形成内壁展开影像图。光学方式所采集的影像质量依赖于光线条件，且难以通过形成立体影像来获取可量测的影像，一次拍摄作业所采集的内壁影像长度和宽度也受较大限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法，该方法通过提取各衬砌环的点云数据，绕各衬砌环轴线中心位置平移旋转后至标准圆柱体按里程顺序排列，再将衬砌环内壁点云数据经等角正切投影展开至平面，最后利用投影后的点云反射率信息插值生成隧道内壁影像。本专利技术目的实现由以下技术方案完成：一种采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：定义衬砌环Q，衬砌环由X0,Y0,Z0,R,W,α,β参数定义，其中：为所述衬砌环中心轴线的中点，R为所述衬砌环的内径，W为衬砌环宽度，α为轴线在XOY平面的方位角，β为所述隧道轴线纵坡角；采用三维激光扫描获取所述隧道的各衬砌环点云数据，所述点云包括坐标和反射率信息；根据衬砌环在工程坐标系O-XYZ中的点云坐标，来确定衬砌环在XOY平面内投影矩形内的点集；将点集进行平移旋转，获得在里程坐标系o-xyz下的新点集；在点集中提取在里程坐标系o-xyz的xoy平面内投影矩形内的点集，其中该投影矩形中的A2B2与投影矩形中的D1C1共边，沿x轴平移衬砌环所在里程获得点集，点集为衬砌环在里程坐标系o-xyz的里程方向上的有序点集；之后将衬砌环内壁点云数据经等角正切投影展开至平面，利用投影后的点云反射率信息插值计算生成所述隧道的二维内壁影像。投影矩形在工程坐标系O-XYZ中的坐标为：其中，为衬砌环上的点云数据,R为衬砌环内径，W为衬砌环宽度，αi为衬砌环中心轴线在XOY平面的方位角，βi为衬砌环中心轴线纵坡角。将工程坐标系O-XYZ中的点集坐标转换为在里程坐标系o-xyz下的点集，所采用的坐标转换公式为：其中，为点集，R1、R2分别为：，其中α为衬砌环中心轴线在XOY平面的方位角，β为衬砌环中心轴线纵坡角。投影矩形在里程坐标系o-xyz中的坐标为：点集在里程坐标系o-xyz中的坐标为：其中，R为衬砌环内径，W为衬砌环宽度，为点集。点集在oo-xxyyzz坐标系下的极坐标表示为：，，，沿yy轴经圆柱等角正切投影后各点的坐标为，，其中为切线与zz轴之间的夹角。角度取值为：。所述插值计算可以采用反距离权重插值算法、线性插值算法、邻近插值算法、自然邻居插值算法中的一种。本专利技术的优点是，采用本方法生成的隧道内壁影像的里程精度、主要特征物尺寸量算精度以及影像分辨率均较高，影像信息经人工或计算机视觉判读之后可提取隧道病害信息的位置、大小、面积、类型等；此外该方法可作为隧道维护的新技术手段，能大幅提高隧道巡检的定量分析能力。附图说明图1为本专利技术中衬砌环圆柱体在工程坐标系O-XYZ中的几何参数示意图；图2为本专利技术中投影矩形□A1B1C1D1和投影矩形□A2B2C2D2在里程方向的示意图；图3为本专利技术中投影矩形□A1B1C1D1和投影矩形□A2B2C2D2在工程坐标系O-XYZ中的示意图；图4为本专利技术中衬砌环按圆柱等角正切投影的示意图Ⅰ；图5为本专利技术中衬砌环按圆柱等角正切投影的示意图Ⅱ；图6为本专利技术中衬砌环展开后的示意图。具体实施方式以下结合附图通过实施例对本专利技术的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：实施例：本实施例具体涉及一种采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法，三维激光扫描技术是一种以激光测距方式快速获取被测物体三维坐标及激光反射率的测量技术，所采集的高密度点云数据可直观反应物体的几何尺寸和激光反射率差异信息。采用三维激光扫描技术采集隧道内壁影像，需要解决的问题主要在于数据的投影变换与插值计算。投影变换方面，三维激光扫描所采集的原始数据需经投影变换，方可转换为可量测的二维展开影像图供隧道维护工作使用。针对单圆盾构隧道，本实施例提出了一种基于圆柱分段等角度正切投影生成隧道内壁影像的算法。插值计算方面，目前成熟的插值算法包括：反距离权重（IDW），线性（Linear），邻近(Nearest)，自然邻居（Naturalneighbour）等插值算法。如图1-5所示，本实施例中的方法是基于盾构隧道衬砌环设计形状为标准圆柱体、沿轴线法向量分段连续的假设，将实体单圆盾构隧道抽象为一组按轴线方向有序排列的圆柱体，即以圆柱体的中心线和直径代表衬砌环的轴线与内径；通过提取各衬砌环的点云数据，绕各衬砌环轴线中心位置平移旋转后至标准圆柱体按里程顺序排列，再将衬砌环内壁点云数据经等角正切投影展开至平面，最后利用投影后的点云反射率信息插值生成隧道内壁影像。具体实现步骤如下：（1）衬砌环圆柱体的定义根据空间几何理论，衬砌环圆柱体Q由7个独立的参数定义，即X0,Y0,Z0,R,W,α,β，其含义如图1中所示，其中：为衬砌环中心轴线的中点，R为衬砌环内径，W为衬砌环宽度，α为轴线在XOY平面的方位角，β为隧道轴线纵坡角。在不考虑衬砌环变形和测量误差的前提下，标准衬砌环内壁任意点到隧道轴线的空间距离，其中：,。（2）基于投影范围初步提取衬砌环点云如图1、2、3所示，根据衬砌环的中轴线坐标、方向向量、环片内径R和宽度W，其中i=1、2、3…n,确定衬砌环在工程坐标系（O-XYZ）的XOY平面内投影矩形内的点集，其中：在工程坐标系（O-XYZ）的坐标为下式所示：公式中，表示衬砌环上的点云数据。（3）衬砌环点云的坐标变换将点集进行平移旋转，获得在里程坐标系（o-xyz）下的新点集，其坐标转换公式为：其中，为点集；XQ1为坐标转换的X坐标轴平移量；YQ1为坐标转换的Y坐标轴平移量；ZQ1为坐标转换的Z坐标轴平移量；R1为坐标转换的平面旋转矩阵；R2为坐标转换的坡度改正旋转矩阵；R1和R2分别为下式：点集中提取在里程坐标系（o-xyz）的xoy平面内投影矩形内的点集，再沿x轴平移衬砌环所在里程即获得点集，即为衬砌环在里程坐标系（o-xyz）的里程方向有序点集。其中：在（o-xyz）坐标系的坐标为下式所示:点集在里程坐标系o-xyz中的坐标为：(4)圆柱等角正切投影点集在oo-xxyyzz坐标系下的极坐标表示为：，，。沿yy轴经圆柱等角正切投影后各点的，，见图4、5所示，本实施例取，以便于过滤隧道整体道床信息，其中，xx表示断面方向，yy表示里程方向，zz表示高度方向，为切线与zz轴之间的夹角。（5）插值生成影像采用反距离权重（IDW），线性（Linear），邻近(Nearest)，自然邻居（Naturalneighbour）等插值算法，隧道衬砌环内采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：定义衬砌环Q，衬砌环由X0,Y0,Z0,R,W,α,β参数定义，其中：为所述衬砌环中心轴线的中点，R为所述衬砌环的内径，W为衬砌环宽度，α为轴线在XOY平面的方位角，β为所述隧道轴线纵坡角；采用三维激光扫描获取所述隧道的各衬砌环点云数据，所述点云包括坐标和反射率信息；根据衬砌环在工程坐标系O‑XYZ中的点云坐标，来确定衬砌环在XOY平面内投影矩形内的点集；将点集进行平移旋转，获得在里程坐标系o‑xyz下的新点集；在点集中提取在里程坐标系o‑xyz的xoy平面内投影矩形内的点集，其中该投影矩形中的A2B2与投影矩形中的D1C1共边，沿x轴平移衬砌环所在里程获得点集，点集为衬砌环在里程坐标系o‑xyz的里程方向上的有序点集；之后将衬砌环内壁点云数据经等角正切投影展开至平面，利用投影后的点云反射率信息插值计算生成所述隧道的二维内壁影像。

【技术特征摘要】
1.一种采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：定义衬砌环Q，衬砌环由X0,Y0,Z0,R,W,α,β参数定义，其中：为所述衬砌环中心轴线的中点，R为所述衬砌环的内径，W为衬砌环宽度，α为轴线在XOY平面的方位角，β为所述隧道轴线纵坡角；采用三维激光扫描获取所述隧道的各衬砌环点云数据，所述点云包括坐标和反射率信息；根据衬砌环在工程坐标系O-XYZ中的点云坐标，来确定衬砌环在XOY平面内投影矩形内的点集；将点集进行平移旋转，获得在里程坐标系o-xyz下的新点集；在点集中提取在里程坐标系o-xyz的xoy平面内投影矩形内的点集，其中该投影矩形中的A2B2与投影矩形中的D1C1共边，沿x轴平移衬砌环所在里程获得点集，点集为衬砌环在里程坐标系o-xyz的里程方向上的有序点集；之后将衬砌环内壁点云数据经等角正切投影展开至平面，利用投影后的点云反射率信息插值计算生成所述隧道的二维内壁影像。2.根据权利要求1所述的一种采用三维激光扫描反射率信息生成隧道内壁影像的方法，其特征在于投影矩形在工程坐标系O-XYZ中的坐标为：其中，为衬砌环上的点云数据,R为所述衬砌环内径，W为所述衬砌环宽度，αi为衬砌环中心轴线在XOY平面的方位角，βi为衬砌环中心轴线纵坡角。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：许正文，郭春生，侯敬宗，付和宽，
申请(专利权)人：上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31