[發(fā)明專利]基于三維掃描點(diǎn)云的隧道施工信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510092309.2
• 申請(qǐng)日: 2015-03-02
• 公開（公告）號(hào): CN104680579B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧洪亮;高文學(xué);周世生;馬瑞;葉春琳;郭洋;陳鴿;王思淼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T17/00
• 分類號(hào): G06T17/00;G06Q50/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

1.基于三維掃描點(diǎn)云的隧道施工信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)計(jì)算與分析、報(bào)表自動(dòng)生成、預(yù)警預(yù)報(bào)、前端展示和數(shù)據(jù)安全模塊；具體而言，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的方法過(guò)程如下，(1)采用三維激光掃描點(diǎn)云測(cè)量采集隧道全斷面空間結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)信息、強(qiáng)度信息、灰度信息和像元信息，進(jìn)行自動(dòng)濾波處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接，生成隧道二維平面模型和三維空間模型；(2)采用“5S”并行通訊方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)流不間斷實(shí)時(shí)傳輸；(3)引入時(shí)間、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)多維坐標(biāo)軸，描述在平面內(nèi)的變化姿態(tài)，鉛垂面的變化姿態(tài)，以及隨時(shí)間的變化姿態(tài)，數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和分析結(jié)構(gòu)與工程施工信息無(wú)接縫對(duì)接；(4)基于物聯(lián)網(wǎng)，采用B/S架構(gòu)，三層體系模式和七級(jí)安全管理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，超前預(yù)報(bào)和施工信息實(shí)時(shí)處理、更新、查詢、瀏覽、三級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)和三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)管理；

更加具體的，各方法步驟實(shí)現(xiàn)如下，1)隧道全斷面信息采集和數(shù)據(jù)濾波；

隧道全斷面信息采集系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成，它采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，獲取隧道或者復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，測(cè)量范圍選在50m左右，每秒可測(cè)量800000個(gè)左右點(diǎn)坐標(biāo)信息、強(qiáng)度信息、灰度信息和像元信息，采用自動(dòng)測(cè)度計(jì)算的數(shù)據(jù)自動(dòng)濾波處理和控制點(diǎn)自動(dòng)拼接方法，生成隧道二維平面模型和三維空間模型；

2)“5S”數(shù)據(jù)傳輸

“5S”并行通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)流不間斷實(shí)時(shí)傳輸；包括短信平臺(tái)、手機(jī)模塊、衛(wèi)星信號(hào)機(jī)、無(wú)線發(fā)射器、無(wú)線接收器、中心處理器和顯示器，各種配置數(shù)量視現(xiàn)場(chǎng)情況確定；

3)隧道監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

隧道監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系是一種六維坐標(biāo)系統(tǒng)，定義隧道中線為一空間幾何曲線，幾何原點(diǎn)位于隧道中線上，在隧道六維空間坐標(biāo)系下隧道中線的幾何形態(tài)表達(dá)式為：y＝f(X_i,Y_i,Z_i,θ_i,β_i,t_i)，其中，X_i，Y_i，Z_i為隧道在測(cè)量三維幾何坐標(biāo)系下坐標(biāo)值，θ隧道中線在某一點(diǎn)i的水平轉(zhuǎn)角，β_i為隧道中線在某一點(diǎn)i的豎向轉(zhuǎn)角；對(duì)于基于三維激光測(cè)量技術(shù)所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，引入時(shí)間、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)多維坐標(biāo)軸，描述隧道在平面內(nèi)的變化姿態(tài)，鉛垂面的變化姿態(tài)，以及隨時(shí)間的變化姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和分析結(jié)構(gòu)與工程施工信息無(wú)接縫對(duì)接；把三維空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成隧道監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系；定義在某一時(shí)間t，隧道中線的豎向轉(zhuǎn)角和水平轉(zhuǎn)角均為零，可以把隧道六維空間坐標(biāo)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為以隧道中線方向?yàn)閄坐標(biāo)，以點(diǎn)到中線的距離為Y坐標(biāo)，以隧道高度為Z坐標(biāo)的三維空間坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)橫斷面切片和監(jiān)測(cè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理；

4)特征點(diǎn)的提取；

(a)以Y坐標(biāo)的整公里數(shù)為基準(zhǔn)提取斷面，以S的倍數(shù)取監(jiān)測(cè)斷面，即斷面里程分別取k1，k2，k3；(b)以斷面里程±m(xù)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)作為當(dāng)前斷面數(shù)據(jù)，X，Z取平均值作為當(dāng)前斷面上觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值；Y＝Y(jié)±n；取出max(Zi)＝Hi，即取斷面上高程最大值為A點(diǎn)高程H_A；(c)以H_A-P＝H_BC，H_A-6＝H_DE，分別作為B，C和D，E點(diǎn)高程H_D，H_C，H_B，H_E；(d)當(dāng)Z＝H_BC±n，X＝max((Xi)，(Xi)-n)/X＝min((Xi)，(Xi)+n)范圍內(nèi)點(diǎn)的X值作為B點(diǎn)X坐標(biāo)值，X<0，作為C點(diǎn)坐標(biāo)值，X>0；(e)當(dāng)Z＝H_DE±n，X＝max((Xi)，X<0時(shí)，(Xi)-n)/X＝min((Xi)，(Xi)+n)范圍內(nèi)點(diǎn)的X值作為D點(diǎn)X坐標(biāo)值，X>0時(shí)，(Xi)-n)/X＝min((Xi)，(Xi)+n)范圍內(nèi)點(diǎn)的X值作為E點(diǎn)坐標(biāo)值；以上可得到斷面上某一次觀測(cè)的，A，B，C，D，E各點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)；

5)報(bào)表和分析曲線自動(dòng)生成；

系統(tǒng)根據(jù)處理后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按固定的格式自動(dòng)生成統(tǒng)一的報(bào)表和分析曲線，包括日?qǐng)?bào)表，周報(bào)表，月報(bào)表，拱頂沉降和變化速率隨時(shí)間和距離掌子面距離變化曲線，凈空收斂和變化速率隨時(shí)間和和距離掌子面距離變化曲線，停測(cè)分析報(bào)告，預(yù)警預(yù)報(bào)通知書和隧道施工措施與建議書；

6)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)；

系統(tǒng)根據(jù)隧道設(shè)計(jì)信息，施工信息，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告和監(jiān)控量測(cè)分析結(jié)果，自動(dòng)修正圍巖分級(jí)，自動(dòng)進(jìn)行隧道施工三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)管理等級(jí)評(píng)價(jià)和三級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)，以聲、光、電和短信形式發(fā)出風(fēng)險(xiǎn)通知、預(yù)警通知和施工措施建議書，指導(dǎo)隧道安全施工；

7)信息安全管理；

采用系統(tǒng)用戶，部門用戶，區(qū)域用戶，項(xiàng)目用戶，工點(diǎn)用戶，施工單位用戶和超級(jí)用戶七級(jí)安全管理，分別賦予不同的管理權(quán)限和使用權(quán)限，保證信息的安全使用。