【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道工程，具体涉及一种基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法。
技术介绍
1、在隧道工程领域，中轴线提取是一项关键技术，对隧道设计、施工和维护具有重要意义。然而，现有技术仍存在诸多不足，难以满足工程实践中对精度、效率和适应性的要求。传统的隧道中轴线测量多采用全站仪、水准仪等测量仪器进行人工测量。这种方法虽然直观，但存在耗时长、效率低、精度有限且易受人为因素影响等缺点。特别是在复杂地形或长隧道中，难以保证测量的连续性和精确性，无法获得高精度的连续中轴线数据。
2、随着三维激光扫描技术的发展，基于点云数据的隧道中轴线提取方法逐渐成为研究热点，得到了广泛应用。传统的隧道中轴线提取方法主要包括基于截面法、随机样本一致（random sample consensus，ransac）算法和主成分分析（principal componentanalysis，pca）等技术。这些方法在实际应用中存在一些共同的限制。
3、首先，现有方法对点云数据中的噪声和异常点处理能力有限，容易导致后续分析结果偏差。
4、其次，在处理大规模点云数据时，现有算法往往需要耗费大量计算资源，难以满足实时或准实时处理的需求。
5、此外，多数方法假设隧道横截面为规则形状（如圆形或椭圆形），难以适应复杂或不规则隧道结构。
6、全局分析方法（如主成分分析法）虽能快速获得隧道大致方向，但往往忽略了局部细节变化，导致提取的中轴线精度不高。基于迭代的方法容易受到累积误差的影响，特别是在处理长隧道时，误差会随着迭
技术实现思路
1、本专利技术旨在针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，创新地结合全局主成分分析、局部分段处理、ransac稳健拟合和样条插值等技术，实现了对隧道整体结构和局部细节的全面分析，创新地提出高效的局部拼接策略，有效减少了数据处理量，提高了算法效率，创新地采用分段处理和椭圆柱面模型拟合，提高了对复杂隧道形状的适应性。本专利技术克服了现有技术的诸多限制，同时关注了局部特征和全局特征，为隧道工程中的中轴线提取提供更高效、更精确、更可靠的解决方案。
2、本专利技术提供了一种基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，包括如下步骤：
3、输入隧道点云数据集；
4、对隧道点云数据集进行全局主成分分析，初步确定隧道的方向和范围；
5、根据全局主成分分析的结果，对隧道点云数据集进行分段，分段为起点段、中间段和终点段；
6、对起点段和终点段进行局部主成分分析，根据每个段的局部主成分分析结果获取中心线的起点和终点；
7、计算中心线要与x轴方向平行需要旋转的角度 α和 β；其中，x轴方向为沿预设的隧道中轴线方向，y轴方向为在水平面内垂直于x轴的方向，z轴方向为垂直向上方向； α和 β分别代表绕y轴和z轴的旋转的角度；
8、根据计算得到的需要旋转的角度 α和 β，构建坐标转换矩阵，并使用坐标转换矩阵对隧道点云数据集进行变换；
9、沿x轴方向对隧道点云数据进行分段，并在每个分段的隧道点云数据中搜索y坐标的最大值、最小值和z坐标的最大值、最小值，确定隧道在三维空间中的边缘点集；
10、通过每个分段的边缘点集确定隧道中轴线。
11、优选地，对确定隧道中轴线进行样条插值平滑处理。
12、优选地，所述隧道点云数据集为通过滑动窗对相邻多个架站的点云数据进行局部拼接后得到的隧道点云段数据集。
13、优选地，输入隧道点云数据集后，先进行初步去噪，然后利用icp算法将相邻多个架站的初步去噪后的隧道点云数据进行滑动窗口式局部拼接，形成隧道点云段数据集。
14、优选地，滑动窗口为一个、两个或者四个，根据具体隧道特征和点云数据质量选择最优窗口数量和大小；或者采用重叠率可调的滑动窗口。
15、优选地，隧道点云数据前1/5为起点段、隧道点云数据后1/5为终点段，其余部分隧道点云数据为中间段。
16、优选地，根据每个段的局部主成分分析结果获取中心线的起点和终点具体包括：在每个段的局部主成分分析结果中，找到垂直于x轴方向的平面，并将该段的点云投影到这个平面上，通过计算这些投影点的质心，得到中心线的起点和终点。
17、优选地，旋转的角度 α和 β的计算具体计算方法如下：
18、 α=arctan((z_end-z_start)/(x_end-x_start))；
19、 β=arctan((y_end-y_start)/(x_end-x_start))；
20、其中，
21、z_end为中心线的终点的z轴坐标；
22、z_start为中心线的起点的z轴坐标；
23、y_end为中心线的终点的y轴坐标；
24、y_start为中心线的起点的y轴坐标；
25、x_end为中心线的终点的x轴坐标；
26、x_start为中心线的起点的x轴坐标。
27、优选地，沿x轴方向对隧道点云数据进行分段具体包括以预设间隔对隧道点云数据进行分段，或者进行基于隧道曲率的自适应分段。
28、优选地，通过每个分段的边缘点集确定隧道中轴线具体包括：对每个分段使用获得的边缘点集来拟合一个椭圆柱面模型，确定每个分段的椭圆中心，将每个分段得到的椭圆中心按照它们在x轴上的位置排序，形成隧道中轴线；其中，椭圆柱面模型表示如下：
29、
30、其中，
31、(y0，z0)为椭圆中心；
32、a和b分别是椭圆的长轴和短轴。
33、优选地，拟合过程中采用ransac算法进行迭代，在每次迭代中，随机选择边缘点集来估计椭圆参数，然后评估椭圆柱面模型与所有边缘点的拟合程度，保留最佳拟合结果。
34、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
35、1.提高了中轴线提取的精度：本专利技术通过全局与局部主成分分析相结合的坐标系转换技术，以及基于ransac的分段椭圆柱面拟合，显著提高了中轴线提取的精度，特别是在处理复杂形状或弯曲隧道时，相比传统方法，中轴线偏差明显减小。
36、2.大幅提升了处理效率：本专利技术采用滑动窗口式局部拼接策略，显著减少了每次处理的数据量。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，对确定隧道中轴线进行样条插值平滑处理。
3.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，输入隧道点云数据集后，先进行初步去噪，然后利用ICP算法将相邻多个架站的初步去噪后的隧道点云数据进行滑动窗口式局部拼接，形成隧道点云段数据集。
4.根据权利要求3所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，滑动窗口为一个、两个或者四个，根据具体隧道特征和点云数据质量选择最优窗口数量和大小；或者采用重叠率可调的滑动窗口。
5.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，隧道点云数据前1/5为起点段、隧道点云数据后1/5为终点段，其余部分隧道点云数据为中间段。
6.根据权利要求5所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，根据每个段的局部主成分分析结果获取中心线的起点和终点具体包括：在每个段的局部主成分分析结果中，找到
7.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，旋转的角度α和β的计算具体计算方法如下：
8.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，沿X轴方向对隧道点云数据进行分段具体包括以预设间隔对隧道点云数据进行分段，或者进行基于隧道曲率的自适应分段。
9.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，通过每个分段的边缘点集确定隧道中轴线具体包括：对每个分段使用获得的边缘点集来拟合一个椭圆柱面模型，确定每个分段的椭圆中心，将每个分段得到的椭圆中心按照它们在X轴上的位置排序，形成隧道中轴线；其中，椭圆柱面模型表示如下：
10.根据权利要求9所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，拟合过程中采用RANSAC算法进行迭代，在每次迭代中，随机选择边缘点集来估计椭圆参数，然后评估椭圆柱面模型与所有边缘点的拟合程度，保留最佳拟合结果。
...【技术特征摘要】
1.一种基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，对确定隧道中轴线进行样条插值平滑处理。
3.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，输入隧道点云数据集后，先进行初步去噪，然后利用icp算法将相邻多个架站的初步去噪后的隧道点云数据进行滑动窗口式局部拼接，形成隧道点云段数据集。
4.根据权利要求3所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，滑动窗口为一个、两个或者四个，根据具体隧道特征和点云数据质量选择最优窗口数量和大小；或者采用重叠率可调的滑动窗口。
5.根据权利要求1所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，隧道点云数据前1/5为起点段、隧道点云数据后1/5为终点段，其余部分隧道点云数据为中间段。
6.根据权利要求5所述的基于点云数据的隧道中轴线快速提取方法，其特征在于，根据每个段的局部主成分分析结果获取中心线的起点和终点具体包括：在每个段的局部主成分分析结...
【专利技术属性】
技术研发人员：周双百合，路元，席文欢，段谦，符利，零江宇，黄康华，张盛，黄红梅，
申请(专利权)人：广东水电二局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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