一种盾构隧道的环间错台检测方法与系统技术方案

本发明专利技术提供了一种盾构隧道的环间错台检测方法与系统，其中，该方法包括：将隧道的三维点云数据变换为二维平面点云数据；将二维平面点云数据转换成隧道灰度图像；根据隧道灰度图像上每个像素点的亮度值提取隧道环缝图像；对隧道环缝图像进行去噪处理得到去噪后的隧道环缝图像；根据去噪后的隧道环缝图像得到隧道的环间错台量。本发明专利技术通过将隧道的三维点云数据转换为隧道灰度图像，并将基于此得到隧道的环间错台量，可以快速、全方位地采集隧道内部的数据，大大提高了隧道环间错台的检测效率。大大提高了隧道环间错台的检测效率。大大提高了隧道环间错台的检测效率。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道的环间错台检测方法与系统


[0001]本专利技术属于隧道工程测量
，更具体地说，是涉及一种盾构隧道的环间错台检测方法与系统。

技术介绍

[0002]近年来为了解决城市化进程中带来的交通堵塞现象，全国各大城市都加快以地铁、轻轨为主的快速、大运量的交通基础设施规划和建设。截至2022年1月，全国各城市累计轨道交通里程达到8708km左右。地铁工程建设周期长、投资大、作为百年工程、遗产工程，其各个环节的质量要求都非常严格，一旦发生事故，会造成严重的社会影响和巨大的经济损失。然而地铁隧道运营过程中由于技术条件、建设条件，以及缺少及时维护等原因，几乎都存在着不同结构的结构病害，其中隧道变形及错台就是常见的结构病害之一。
[0003]现有的隧道结构断面量检测主要使用全站仪或断面仪逐个断面、测点进行测量，再将测量结果与设计值或前期测量值对比，以便检核隧道工程施工质量及变形情况。可见，现有检测方法只能反映局部的特征，很难高效地进行大范围的检测，检测效率低，并且受作业人员素质和环境影响较大，难以保证检测质量。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种盾构隧道的环间错台检测方法与系统，旨在解决现有检测方法检测效率低的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种盾构隧道的环间错台检测方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：获取隧道的三维点云数据；
[0008]步骤2：将所述三维点云数据投影到标准圆柱，按照所述标准圆柱展开图形得到二维平面点云数据；
[0009]步骤3：将所述二维平面点云数据转换成隧道灰度图像；
[0010]步骤4：根据所述隧道灰度图像上每个像素点的亮度值提取隧道环缝图像；
[0011]步骤5：对所述隧道环缝图像进行去噪处理得到去噪后的隧道环缝图像；
[0012]步骤6：根据所述去噪后的隧道环缝图像得到隧道的环间错台量。
[0013]优选地，所述步骤2：将所述三维点云数据投影到标准圆柱，按照所述标准圆柱展开图形得到二维平面点云数据，包括：
[0014]以拟合椭圆中心点为中心，将所述点云数据投影至隧道标准设计断面，得到点云数据投影点；其中，所述标准圆柱的横截面为所述隧道标准设计断面；所述点云数据投影点为：
[0015][0016][0017]其中，P'＝(x'，z')，P'为点云数据投影点，R为隧道半径，P(x，z)为隧道上任意一点云，O(x
o
，z
o
)为拟合椭圆中心点，为Z轴正向单位向量；
[0018]根据所述点云数据投影点得到二维平面点云数据，包括：
[0019]采用公式：
[0020][0021][0022]得到二维平面点云数据；其中，∠P'OZ为与夹角，P”＝(x”，z”)为P'展开后的点，x”为二维平面点云上点P”的横坐标，z”为二维平面点云上点P”的纵坐标，R为隧道半径，x'为投影点P'的x轴坐标，x
o
为拟合椭圆中心点横坐标，z
o
为拟合椭圆中心点纵坐标。
[0023]优选地，所述步骤3：将所述二维平面点云数据转换成隧道灰度图像，包括：
[0024]步骤3.1：以预设长度的栅格对所述二维平面点云数据进行划分；
[0025]步骤3.2：将每个栅格内所有点云的强度信息的均值作为相应栅格的像素值得到隧道灰度图像。
[0026]优选地，所述步骤4：根据所述隧道灰度图像上每个像素点的亮度值提取隧道环缝图像，包括：
[0027]步骤4.1：对所述隧道灰度图像进行二值化处理得到二值化的隧道图像；
[0028]步骤4.2：按照预设的行坐标区间对二值化的隧道图像进行截取得到隧道顶部图像；
[0029]步骤4.3：遍历所述隧道顶部图像的一列依次找到第一个亮度为0的第一像素点和第二个亮度为0的第二像素点；
[0030]步骤4.4：判断所述第一像素点和所述第二像素点的行坐标的差值是否大于设置的阈值；
[0031]步骤4.5：若所述差值大于设置的阈值则将隧道顶部图像的相应列像素的亮度都设为1；
[0032]步骤4.6：若所述差值小于设置的阈值，则将依次找到第三个亮度为0的像素点作为第一像素点，将第四个亮度为0的像素点作为第二像素点，返回步骤4.4，直到遍历完隧道顶部图像上的每个像素点得到隧道环缝图像。
[0033]优选地，所述步骤5：对所述隧道环缝图像进行去噪处理得到去噪后的隧道环缝图像，包括：
[0034]步骤5.1：在隧道环缝图像的x轴方向选取预设个数的最大差值点；
[0035]步骤5.2：将所有最大差值点的坐标均值作为中心点坐标；
[0036]步骤5.3：计算每个最大差值点到中心点坐标的距离；其中，距离计算公式为：
[0037][0038][0039][0040]其中，D为最大差值点到中心点坐标的距离，n为最大差值点的个数，x
i
为最大差值点的横坐标，z
i
为最大差值点的纵坐标；
[0041]步骤5.4：将距离不在预设区间的点去除得到去噪后的隧道环缝图像。
[0042]本专利技术还提供了一种盾构隧道的环间错台检测系统，包括：
[0043]点云获取模块，用于获取隧道的三维点云数据；
[0044]二维点云转换模块，用于将所述三维点云数据投影到标准圆柱，按照所述标准圆柱展开图形得到二维平面点云数据；
[0045]灰度转换模块，用于将所述二维平面点云数据转换成隧道灰度图像；
[0046]隧道环缝提取模块，用于根据所述隧道灰度图像上每个像素点的亮度值提取隧道环缝图像；
[0047]点云去噪模块，用于对所述隧道环缝图像进行去噪处理得到去噪后的隧道环缝图像；
[0048]错台量检测模块，用于根据所述去噪后的隧道环缝图像得到隧道的环间错台量。
[0049]优选地，所述二维点云转换模块，包括：
[0050]投影单元，用于以拟合椭圆中心点为中心，将所述点云数据投影至隧道标准设计断面，得到点云数据投影点；其中，所述标准圆柱的横截面为所述隧道标准设计断面；所述点云数据投影点为：
[0051][0052][0053]其中，P'＝(x'，z')，P'为点云数据投影点，R为隧道半径，P(x，z)为隧道上任意一点云，O(x
o
，z
o
)为拟合椭圆中心点，为Z轴正向单位向量；
[0054]转换单元，用于根据所述点云数据投影点得到二维平面点云数据，包括：
[0055]采用公式：
[0056][0057][0058]得到二维平面点云数据；其中，∠P'OZ为与夹角，P”＝(x”，z”)为P'展开后
的点，x”为二维平面点云上点P”的横坐标，z”为二维平面点云上点P”的纵坐标，R为隧道半径，x'为投影点P'的x轴坐标，x
o...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道的环间错台检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取隧道的三维点云数据；步骤2：将所述三维点云数据投影到标准圆柱，按照所述标准圆柱展开图形得到二维平面点云数据；步骤3：将所述二维平面点云数据转换成隧道灰度图像；步骤4：根据所述隧道灰度图像上每个像素点的亮度值提取隧道环缝图像；步骤5：对所述隧道环缝图像进行去噪处理得到去噪后的隧道环缝图像；步骤6：根据所述去噪后的隧道环缝图像得到隧道的环间错台量。2.如权利要求1所述的一种盾构隧道的环间错台检测方法，其特征在于，所述步骤2：将所述三维点云数据投影到标准圆柱，按照所述标准圆柱展开图形得到二维平面点云数据，包括：以拟合椭圆中心点为中心，将所述点云数据投影至隧道标准设计断面，得到点云数据投影点；其中，所述标准圆柱的横截面为所述隧道标准设计断面；所述点云数据投影点为：投影点；其中，所述标准圆柱的横截面为所述隧道标准设计断面；所述点云数据投影点为：其中，P'＝(x'，z')，P'为点云数据投影点，R为隧道半径，P(x，z)为隧道上任意一点云，O(x
o
，z
o
)为拟合椭圆中心点，为Z轴正向单位向量；根据所述点云数据投影点得到二维平面点云数据，包括：采用公式：采用公式：得到二维平面点云数据；其中，∠P'OZ为与夹角，P”＝(x”，z”)为P'展开后的点，x”为二维平面点云上点P”的横坐标，z”为二维平面点云上点P”的纵坐标，R为隧道半径，x'为投影点P'的x轴坐标，x
o
为拟合椭圆中心点横坐标，z
o
为拟合椭圆中心点纵坐标。3.如权利要求1所述的一种盾构隧道的环间错台检测方法，其特征在于，所述步骤3：将所述二维平面点云数据转换成隧道灰度图像，包括：步骤3.1：以预设长度的栅格对所述二维平面点云数据进行划分；步骤3.2：将每个栅格内所有点云的强度信息的均值作为相应栅格的像素值得到隧道灰度图像。4.如权利要求1所述的一种盾构隧道的环间错台检测方法，其特征在于，所述步骤4：根据所述隧道灰度图像上每个像素点的亮度值提取隧道环缝图像，包括：
步骤4.1：对所述隧道灰度图像进行二值化处理得到二值化的隧道图像；步骤4.2：按照预设的行坐标区间对二值化的隧道图像进行截取得到隧道顶部图像；步骤4.3：遍历所述隧道顶部图像的一列依次找到第一个亮度为0的第一像素点和第二个亮度为0的第二像素点；步骤4.4：判断所述第一像素点和所述第二像素点的行坐标的差值是否大于设置的阈值；步骤4.5：若所述差值大于设置的阈值则将隧道顶部图像的相应列像素的亮度都设为1；步骤4.6：若所述差值小于设置的阈值，则将依次找到第三个亮度为0的像素点作为第一像素点，将第四个亮度为0的像素点作为第二像素点，返回步骤4.4，直到遍历完隧道顶部图像上的每个像素点得到隧道环缝图像。5.如权利要求1所述的一种盾构隧道的环间错台检测方法，其特征在于，所述步骤5：对所述隧道环缝图像进行去噪处理得到去噪后的隧道环缝图像，包括：步骤5.1：在隧道环缝图像的x轴方向选取预设个数的最大差值点；步骤5.2：将所有最大差值点的坐标均值作为中心点坐标；步骤5.3：计算每个最大差值点到中心点坐标的距离；其中，距离计算公式为：个最大差值点到中心点坐标的距离；其中，距离计算公式为：个最大差值点到中心点坐标的距离；其中，距离计算公式为：其中，D为最大差值点到中心点坐标的距离，n为最大差值点的个数，x
i
为最大差值点的横坐标，z
i

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍艳，马睿哲，唐超，张东亮，侯海倩，樊廷立，王晓静，赵丽凤，
申请(专利权)人：北京城建勘测设计研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：