[發明專利]一種隧道軸線提取及斷面收斂分析方法及裝置

有效

• 申請號: 201810872140.6
• 申請日: 2018-08-02
• 公開（公告）號: CN109029350B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 汪俊;吳巧云;易程
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C7/06
• 分類號: G01C7/06;G01B21/32
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 張佩璇

1.一種隧道軸線提取及斷面收斂分析方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：獲取隧道三維點云數據；

S2：根據所述隧道三維點云數據確定起始隧道斷面的定位點；

S3：建立所述定位點的鄰近圖，基于統計特征計算當前位置隧道的主軸方向；

S4：獲取當前隧道管片的收斂直徑值及所述定位點預設范圍內的斷面數據；

S5：基于當前定位點確定下一個定位點；執行步驟S3和S4，計算該定位點對應隧道管片的收斂直徑值及所述定位點預設范圍內的斷面數據；以此類推，最終按順序自動獲取所述隧道的所有管片的收斂直徑值，定位點預設范圍內的斷面數據，以及隧道的軸線數據；

所述步驟S2具體包括如下步驟：

S21：基于所述隧道三維點云數據進行主成分分析，計算最大特征值對應的特征向量；其中，所述特征向量的方向即所述起始延伸方向；

S22：基于所述隧道三維點云數據所在坐標系的z軸方向和特征向量的方向，構造初始變換矩陣，將所述隧道三維點云數據變換到新坐標系下；

S23：基于新坐標系下的隧道三維點云數據在三個坐標軸方向的分布，計算起始隧道斷面的定位點。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S21包括：

對所述隧道三維點云數據進行采樣，設定預設個數的隨機采樣點；

計算所述隨機采樣點的中心，構造協方差矩陣；

基于SVD分解方法，計算所述協方差矩陣最大特征值對應的特征方向；其中，所述特征方向即為隧道三維點云數據的起始延伸方向。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，計算所述隨機采樣點的中心，構造協方差矩陣，包括：

所述隨機采樣點的中心其中，p_i∈P_sample，P_sample是采樣后的隧道三維點云數據；

所述協方差矩陣其中，是矢量外積符號。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S22包括：

基于所述隧道三維點云數據所在坐標系的z軸方向v₂和所述特征向量v₁，利用向量叉乘方法計算新坐標系的x軸方向v₃；

基于所述z軸方向及x軸方向，利用向量叉乘方法，計算新坐標系的y軸方向v′₁；

構造初始變換矩陣，將所述隧道三維點云數據變換到新坐標系下。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，

所述新坐標系的x軸方向：

所述新坐標系的y軸方向：

所述初始變換矩陣：

變換到新坐標系下的隧道三維點云數據

其中，所述v₁是步驟S21中的所述特征向量，所述隧道三維點云數據所在坐標系的z軸方向v₂＝(0，0，1)，P是所述隧道三維點云數據。

6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S23包括：

遍歷新坐標系下的隧道三維點云數據的坐標值，分別獲取三個坐標軸方向的最小值、最大值，分別記為：x_min，x_max，y_min，y_max，z_min，z_max；

定義所述起始隧道斷面的定位點p₁坐標為：其中，c表示一個隧道管片的寬度。

7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟S3包括：

S31：建立所述隧道三維點云數據中每個數據點的k-鄰近關系，計算所述k-鄰近關系中每個數據點對應的法矢向量；

S32：基于建立的所述k-鄰近關系，提取落在以定位點為球心，半徑為c/2的球內的數據點，將這些數據點的單位法矢向量投影到一個高斯球上；其中，c表示一個隧道管片的寬度；

S33：基于高斯球上的投影，計算定位點當前位置隧道的主軸方向。