一种隧道变形区域自动三维定位方法技术

本发明专利技术提供了一种隧道变形区域自动三维定位方法，包括以下步骤：获取隧道围岩超欠挖柱状测量值集合；基于隧道围岩超欠挖柱状测量值集合进行规则化测值对比，得到隧道规则化三维变形值集合；对隧道规则化三维变形值集合中的疑似变形点进行三维聚类，获得合并聚类簇；排除合并聚类簇中的非连接噪点，获得隧道三维变形区域集合；施工干扰排除。本发明专利技术实现了隧道的三维变形区域的自动定位，可以通过一系列计算自动获得变形区域的具体位置、桩号、变形区域面积、平均厚度、最大厚度等信息，使得隧道自动化三维监测成为可能，可以有效指导施工作业。业。业。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道变形区域自动三维定位方法


[0001]本专利技术涉及工程监测
，尤其涉及一种隧道变形区域自动三维定位方法。

技术介绍

[0002]隧道施工期间，由于周围地质情况复杂且施工过程中岩土力学行为的不断变化等原因，会对隧道产生综合影响从而使隧道产生变形，因此，隧道的监控量测是隧道施工安全控制的重要环节。
[0003]传统监控量测方法采用钢尺和全站仪以及多功能激光断面仪等进行变形量测，钢尺量测受人为影响较大，具有明显的局限性，目前广泛使用的全站仪、激光断面仪量测方法作业效率低、工作量较大，摄影测量方法距离大于20m的目标物测量精度较低且测量时需要光照，无法适用于隧道监控量测。所以有很多学者开始使用三维激光点云来进行隧道监控量测工作。
[0004]因为围岩三维测量值计算完毕后的各个测量点均为无序点，难以直接进行多期数据比较，且因为隧道环境复杂、施工作业对三维点云干扰多，而现有方法难以直接排除这些干扰项，使得围岩变形区域自动三维定位难以实现。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种隧道变形区域自动三维定位方法，具体包括以下步骤：步骤一、基于三维激光扫描仪或固态激光雷达对隧道进行扫描，获得隧道原始点云数据；再将隧道点云数据整平处理后获得整平后的原始点云数据，以及基于原始点云数据拟合出隧道轴线，进而获得隧道围岩超欠挖柱状测量值集合；步骤二、基于隧道围岩超欠挖柱状测量值集合进行规则化测值对比，得到隧道规则化三维变形值集合；步骤三、以用于对隧道进行扫描的三维激光扫描仪或固态激光雷达的测量精度作为阈值，对隧道规则化三维变形值集合中变形量大于该阈值的点筛选出以作为疑似变形区域初选区域；并对该疑似变形区域初选区域通过DBSCAN聚类方法进行三维聚类，以获取变形量较大区域的粗聚类簇；再对粗聚类簇进行二次合并和筛选，获得疑似变形区域；步骤四、排除疑似变形区域中远离隧道壁的变形区域中与隧道壁非几何连接的变形区域，以获得隧道三维变形区域集合；步骤五、判断该隧道三维变形区域集合是否为隧道实际变形区域，并通过排除正常工序对监测结果的干扰，最终获得隧道实际三维变形区域。
[0006]可选的，所述步骤二中得到隧道规则化三维变形值集合的具体过程如下：
基于隧道围岩超欠挖柱状测量值集合得到规则化三维测值集合；再对于任意两个规则化三维测值集合和，以相同桩号下相同扇区角度的测点的超欠挖去差平均值做差，得到隧道规则化三维变形值集合；其中：分别为各个测量桩号集合、Y坐标去差平均值集合、Z坐标去差平均值集合、超欠挖去差平均值集合和扇区角度集合。
[0007]可选的，所述步骤二中获得隧道规则化三维变形值集合的具体过程如下：S2.1、对隧道围岩超欠挖柱状测量值集合中的各个断面点云分成M个扇区；S2.2、对各个断面点云各个扇区内的点进行粗差去除，再对各个扇区粗差去除的结果求平均值，并删除平均值结果中Z坐标小于0的点，以获得各个测量桩号下的断面扇形规则化测值集合；S2.3、将所有测量桩号下的断面扇形规则化测值集合进行集合，得到规则化三维测值集合；S2.4、对于任意两个规则化三维测值集合和，以相同桩号下相同扇区角度的测点的超欠挖去差平均值做差，得到隧道规则化三维变形值集合。
[0008]可选的，所述步骤2.1中对隧道围岩超欠挖柱状测量值集合中的各个断面点云分成M个扇区的具体方法为：以坐标原点为中心、以Y轴正半轴为起始角，将各个断面点云分别在YOZ平面上逆时针旋转至Y轴负半轴后从0到共分为m份，每份角度范围为；其中，m设置为大于等于1的自然整数。
[0009]可选的，所述步骤三中对粗聚类簇进行二次合并和筛选的具体方法为：将边缘点聚类半径重合的相邻聚类簇进行合并，对初次聚类簇再次聚类，即可对相邻聚类结果进行合并，获得疑似变形区域。
[0010]可选的，所述步骤四中，通过排除疑似变形区域中远离隧道壁的变形区域中与隧道壁非几何连接的变形区域，以获得隧道三维变形区域集合；其具体方法为：S4.1、在疑似变形区域中选择远离隧道壁的簇，再将此类簇的范围进行扩选，分别计算疑似变形区域外边缘与扩选簇的距离和扩选簇与临近未变形区域的距离；S4.2、若疑似变形区域为非真实变形区域，则两者距离差会较大，若判断距离差满足，即可判断为异常变形区域；
S4.3、删除异常变形区域，最终获得隧道三维变形区域集合。
[0011]可选的，判断该隧道三维变形区域集合是否为隧道实际变形区域的具体方法为：当该隧道三维变形区域集合的平均厚度与断面初支设计值吻合度超过80%、厚度中误差小于仪器标称测量精度、变形面积与单榀钢架喷浆面积的整数倍吻合度超过70%且：当隧道规则化三维变形值集合中Z坐标范围与的Z坐标值范围相同的点中，以的桩号范围半径作为桩号半径，以桩号最大值为桩号最大值，取得的桩号范围与的桩号范围相似度超过90%，即可判断该变形区域为掌子面开挖和立架喷浆区域。
[0012]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术实现了隧道的三维变形区域的自动定位，可以通过一系列计算自动获得变形区域的具体位置、桩号、变形区域面积、平均厚度、最大厚度等信息，使得隧道自动化三维监测成为可能，可以有效指导施工作业。
[0013]（2）本专利技术实现了施工隧道复杂、恶劣环境下的三维围岩变形监测，可以自动排除大量施工现场流程化正常作业工事对三维监测的影响，将大幅降低虚警率，可靠性高。
[0014]（3）本专利技术通过疑似变形区域二次聚类合并，使得变形区域三维定位成果更加符合实际情况，方便施工人员理解，便于工程实际应用。
[0015]（4）本专利技术推动隧道监测行业转型升级，实现隧道监测三维化、智能化、自动化升级，形成新的产业链，减少隧道监测工序、降低人力成本、减少施工风险。
[0016]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。
附图说明
[0017]构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本实施例中一种隧道变形区域自动三维定位方法的整体流程示意图；图2是断面扇形规则化示意图；图3是规则化三维测值集合示意图；图4是隧道规则化三维变形值集合示意图；图5是粗聚类区域合并示意图；图6是疑似变形区域提取步骤示意图；图7是疑似变形区域的两种点位分布示意图；图8是疑似变形区域扩选簇距离关系示意图；图9是开挖、喷浆区域干扰点示意图。
具体实施方式
[0018]以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。
[0019]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本专利技术的
技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。
本实施例：
[0020]参见图1所示，本专利技术所提供的一种隧道变形区域自动三维定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道变形区域自动三维定位方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤一、基于三维激光扫描仪或固态激光雷达对隧道进行扫描，获得隧道原始点云数据；再将隧道点云数据整平处理后获得整平后的原始点云数据，以及基于原始点云数据拟合出隧道轴线，进而获得隧道围岩超欠挖柱状测量值集合；步骤二、基于隧道围岩超欠挖柱状测量值集合进行规则化测值对比，得到隧道规则化三维变形值集合；步骤三、以用于对隧道进行扫描的三维激光扫描仪或固态激光雷达的测量精度作为阈值，对隧道规则化三维变形值集合中变形量大于该阈值的点筛选出以作为疑似变形区域初选区域；并对该疑似变形区域初选区域通过DBSCAN聚类方法进行三维聚类，以获取变形量较大区域的粗聚类簇；再对粗聚类簇进行二次合并和筛选，获得疑似变形区域；步骤四、排除疑似变形区域中远离隧道壁的变形区域中与隧道壁非几何连接的变形区域，以获得隧道三维变形区域集合；步骤五、判断该隧道三维变形区域集合是否为隧道实际变形区域，并通过排除正常工序对监测结果的干扰，最终获得隧道实际三维变形区域。2.根据权利要求1所述的隧道变形区域自动三维定位方法，其特征在于，所述步骤二中得到隧道规则化三维变形值集合的具体过程如下：基于隧道围岩超欠挖柱状测量值集合得到规则化三维测值集合；再对于任意两个规则化三维测值集合和，以相同桩号下相同扇区角度的测点的超欠挖去差平均值做差，得到隧道规则化三维变形值集合；其中：分别为各个测量桩号集合、Y坐标去差平均值集合、Z坐标去差平均值集合、超欠挖去差平均值集合和扇区角度集合。3.根据权利要求2所述的隧道变形区域自动三维定位方法，其特征在于，所述步骤二中获得隧道规则化三维变形值集合的具体过程如下：S2.1、对隧道围岩超欠挖柱状测量值集合中的各个断面点云分成M个扇区；S2.2、对各个断面点云各个扇区内的点进行粗差去除，再对各个扇区粗差去除的结果求平均值，并删除平均值结果中Z坐标小于0的点，以获得单个测量桩号下的断面扇形规则化测值集合；S2.3、将所有测量桩号下的断面扇形规则化测值集合进行集...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨承昆，梁晓东，邓翔，杨彦恒，曾雄鹰，吴勇生，文言，王佳龙，陈琪琳，田满丰，刘健康，
申请(专利权)人：湖南联智科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：