一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法技术

本发明专利技术涉及盾构隧道断面测量技术领域，具体涉及一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，包括通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置，并计算提取所述盾构隧道断面位置的中心坐标；基于所述中心坐标确定隧道断面方程；基于所述隧道断面方程确定隧道断面内的射线方程；基于所述射线方程确定断面点；基于所述断面点进行断面拟合后重采样，得到最终隧道断面，通过地面激光对隧道进行扫描，全过程无需人工进入隧道进行测量，并采用了断面拟合后重采样，确保最终提取得到的断面点完整且连续从而提高测量效率和精度，解决了现有的隧道断面测量方法在测量耗时较长，降低了测量效率的问题。降低了测量效率的问题。降低了测量效率的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法


[0001]本专利技术涉及盾构隧道断面测量
，尤其涉及一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法。

技术介绍

[0002]地铁交通是解决城市化进程中交通拥挤问题的有效办法，然而复杂的地下空间结构、地面、周边建筑物负载及土体扰动等都对隧道安全造成了很大隐患，同时由于地铁线路多分布在城市繁华、建筑和人群都较为密集区域，地铁隧道结构安全的安全监测尤为重要。
[0003]隧道的安全监测主要依靠隧道断面测量。传统的隧道断面测量主要使用全站仪或者收敛计对每个隧道断面进行测量。
[0004]基于全站仪的人工测量方法所需观测时间长，劳动强度大，观测精度受到人为影响和环境影响较多；同时由于隧道内的监测点有限，所以无法反应隧道整体的变形趋势。使用收敛计进行测量时需事先在待测点位上安装固定挂钩，然后将收敛计悬挂在两端的挂钩上进行测量；该方法虽然可以获取很高的测量精度，但是这种接触式的测量不仅费时费力，而且会对盾构体产生破坏。因此，隧道断面测量需要一种高精度、高效率、自动化的测量方式。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，旨在解决现有的隧道断面测量方法在测量耗时较长，降低了测量效率的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，包括以下步骤：
[0007]通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置，并计算提取所述盾构隧道断面位置的中心坐标；
[0008]基于所述中心坐标确定隧道断面方程；
[0009]基于所述隧道断面方程确定隧道断面内的射线方程；
[0010]基于所述射线方程确定断面点；
[0011]基于所述断面点进行断面拟合后重采样，得到最终隧道断面。
[0012]其中，所述通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置，并计算提取所述盾构隧道断面位置的中心坐标的具体方式为：
[0013]通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置；
[0014]基于所述盾构隧道断面位置，设定隧道轴线方程；
[0015]获取指定中心的横坐标；
[0016]将所述横坐标带入所述隧道轴线方程，得到中心坐标。
[0017]其中，所述基于所述中心坐标确定隧道断面方程的具体方式为：
[0018]求取所述中心坐标的轴线方向向量；
[0019]基于所述轴线方向向量确定隧道断面的法平面表达方程。
[0020]其中，所述基于所述隧道断面方程确定隧道断面内的射线方程的具体方式为：
[0021]基于所述法平面表达方程求取法平面内任意一点的方向向量，得到目标方向向量；
[0022]将所述轴线方向向量乘以所述目标方向向量，得到另一方向向量；
[0023]对所述目标方向向量和另一方向向量进行归一化处理，得到任意向量；
[0024]基于所述任意向量和所述中心坐标确定射线方程。
[0025]其中，所述基于所述射线方程确定断面点的具体方式为：
[0026]确定所述射线方程的种子点；
[0027]基于所述种子点搜索局部点集合，对所述局部点集合进行圆柱面拟合，得到局部圆柱面和局部圆柱面参数；
[0028]基于所述局部圆柱面参数计算隧道断面点。
[0029]其中，所述基于所述断面点进行断面拟合后重采样，得到最终隧道断面的具体方式为：
[0030]基于所述断面点设置空间圆的圆心和半径；
[0031]基于所述圆心和所述半径确定所述空间圆方程；
[0032]基于所述空间圆方程得到误差方程和限制条件方程；
[0033]把所述误差方程和所述限制条件方程进行联合处理，得到第一矩阵和第二矩阵；
[0034]将所述第一矩阵和所述第二矩阵合并后使用奇异值分解法进行分解，得到多个分解值；
[0035]求取多个所述分解值的最小乘积，得到估计值；
[0036]基于所述估计值得到拟合矩阵，并得到所述拟合矩阵的断面圆心和拟合隧道半径参数；
[0037]以所述拟合隧道半径在所述断面圆心上画圆，得到断面圆；
[0038]在所述断面圆上进行重采样，得到最终隧道断面。
[0039]本专利技术的一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，通过包括通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置，并计算提取所述盾构隧道断面位置的中心坐标；基于所述中心坐标确定隧道断面方程；基于所述隧道断面方程确定隧道断面内的射线方程；基于所述射线方程确定断面点；基于所述断面点进行断面拟合后重采样，得到最终隧道断面，通过地面激光对隧道进行扫描，全过程无需人工进入隧道进行测量，并采用了“断面圆拟合和重采样”策略，该策略通过求解限定约束条件的非线性优化问题，克服了部分初始隧道断面点缺失和不连续的缺陷，确保最终提取得到的断面点完整且连续从而提高测量效率和精度，解决了现有的隧道断面测量方法在测量耗时较长，降低了测量效率的问题。
附图说明
[0040]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0041]图1是本专利技术提供的一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法的流程图。
[0042]图2是本专利技术提供的一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法的原理图。
[0043]图3是轴线方向向量目标方向向量l、另一方向向量和任意向量的结构示意图。
[0044]图4是断面点和伪断面点的结构示意图。
具体实施方式
[0045]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0046]请参阅图1至图4，本专利技术提供一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，包括以下步骤：
[0047]S1通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置，并计算提取所述盾构隧道断面位置的中心坐标；
[0048]具体方式为：S11通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置；
[0049]S12基于所述盾构隧道断面位置，设定隧道轴线方程；
[0050]具体的：假设所述隧道轴线L的方程为：
[0051][0052]式中，x、y、z分别为点云三维坐标。
[0053]S13获取指定中心的横坐标；
[0054]具体的，获取指定中心的横坐标x
p
。
[0055]S14将所述横坐标带入所述隧道轴线方程，得到中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，其特征在于，包括以下步骤：通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置，并计算提取所述盾构隧道断面位置的中心坐标；基于所述中心坐标确定隧道断面方程；基于所述隧道断面方程确定隧道断面内的射线方程；基于所述射线方程确定断面点；基于所述断面点进行断面拟合后重采样，得到最终隧道断面。2.如权利要求1所述的基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，其特征在于，所述通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置，并计算提取所述盾构隧道断面位置的中心坐标的具体方式为：通过地面激光对隧道进行扫描，得到盾构隧道断面位置；基于所述盾构隧道断面位置，设定隧道轴线方程；获取指定中心的横坐标；将所述横坐标带入所述隧道轴线方程，得到中心坐标。3.如权利要求1所述的基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，其特征在于，所述基于所述中心坐标确定隧道断面方程的具体方式为：求取所述中心坐标的轴线方向向量；基于所述轴线方向向量确定隧道断面的法平面表达方程。4.如权利要求3所述的基于地面激光扫描点云的盾构隧道断面提取方法，其特征在于，所述基于所述隧道断面方程确定隧道断面内的射线方程的具体方式为：基于所述法平面表达方程求取法平面内任意一点的方向向量，得到目标方向向量；...

【专利技术属性】
技术研发人员：章晓余，卜磊，史玉峰，翟宏亮，张宗营，邱雪莲，刘佳，郑干，常伟纲，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：