[發明專利]基于點云數據提取盾構隧道襯砌錯臺量的方法

有效

• 申請號: 201811089324.1
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109341671B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 鮑艷;王博群;王風杰;郭穩;王瑩瑩;盧建軍;鮑逸瑋
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01C15/00
• 分類號: G01C15/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

1.一種基于點云數據提取盾構隧道襯砌錯臺量的方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步：點云數據的獲取

對于站式三維激光掃描儀，為獲取較為精確的點云數據，合理的選取測站間距和掃描分辨率；

在測站間距和掃描分辨率確定后，進行現場掃描；在掃描的同時，用全站儀對掃描儀和標靶的位置進行測量，確定測站和標靶的絕對坐標；

第二步：每環襯砌對應斷面的提取

在隧道的整體點云數據處于絕對坐標系下后，為了能夠提取不同里程、不同環數的橫斷面，需要提取隧道在該環斷面處的空間姿態信息；通過該環斷面附近點云的法向量來提取該斷面處的空間姿態信息，采用隨機采樣一致性RANSAC算法和最小二乘法對點云法向量進行提取；

利用該環斷面附近點云的點云法向量與斷面法向量互相垂直的關系，提取斷面法向量；

根據隧道的設計文件，得到不同里程或環數斷面的設計坐標,利用斷面的法向量和設計坐標得到該斷面的方程；

利用點到斷面的距離進行斷面的提取；

第三步：環內錯臺量的提取

將第二步獲取的橫斷面點云數據進行坐標變換，經過旋轉、平移，然后投影到二維平面中進行斷面的二維分析；計算所有斷面點到斷面中心點O的距離D，然后計算D與斷面設計半徑之差Δ，根據每個斷面點對應的角度α和Δ值建立縱軸為Δ、橫軸為α的散點圖，從0-360°內顯示Δ與α之間的關系，根據Δ否有突變判斷環內錯臺的有無，根據突變量判斷錯臺量大小；

第四步：環間錯臺量的提取

截取至少相鄰兩環對應附近的點云數據；然后提取極坐標角度為α的縱斷面的點云數據，縱斷面與第三步中的橫斷面是相互垂直的，并且都過斷面的中心點，將選取的點云數據通過旋轉、投影到平面上進行二維分析；若在兩環管片連接處發生了環間管片錯臺，最重要的特征是在前一環的尾部點和后一環的始部點到某一直線的距離發生了突變，突變量的大小為管片環間錯臺量。

2.按照權利要求1所述的一種基于點云數據提取盾構隧道襯砌錯臺量的方法，其特征在于，所述第二步中利用點云法向量提取隧道橫斷面，具體步驟包括如下：

1)得到每個節點對應的法向量由幾何關系可知：每個節點對應的點云法向量與斷面法向量是互相垂直的，設斷面所在平面的法向量由則有：

寫成矩陣形式可表示為：

根據最小二乘法求解得到斷面所在平面的法向量為(1,a,b)；

2)根據隧道的設計文件，可以得到不同里程或環數斷面的設計坐標(X,Y,Z),利用平面的法向量和設計坐標可得到該平面的方程；

3)利用點到平面的距離進行斷面的截取，合理設置點到平面的距離k，單站點云數據中k取掃描儀的角分辨率；多站拼接后的點云數據k取點云之間的平均距離，根據公式(4)進行隧道的斷面截取：

3.按照權利要求1所述的一種基于點云數據提取盾構隧道襯砌錯臺量的方法，其特征在于，所述第三步，具體步驟為：

1)提取任意里程y1對應的斷面點云數據,即某環對應的橫斷面點云數據；

2)分別計算所有斷面點到斷面中心點O的距離D，計算D與斷面設計半徑之差Δ，計算每個斷面點對應的角度值α；

3)根據每個點對應的角度α和Δ值建立縱軸為Δ、橫軸為α的散點圖，從0-360°內顯示Δ與α之間的關系；

4)根據Δ在0-360°內有無突變判斷環內錯臺的有無，計算突變大小即為錯臺量大小。

4.按照權利要求1所述的一種基于點云數據提取盾構隧道襯砌錯臺量的方法，其特征在于，所述第四步，具體步驟為：

1)截取任意里程y1附近的點云數據,即某環對應附近的點云數據，要包括相鄰兩環的點云數據；

2)提取極坐標角度為α的縱向點云數據，將選取的點云數據通過旋轉、投影到平面上；

3)分別計算縱向點云數據中每個點與某一直線的距離Δ，其中通過擬合縱向點云數據確定直線方程；

4)建立縱軸為Δ、橫軸為里程的散點圖，根據Δ有無突變即是否連續判斷環內錯臺的有無，計算突變大小即為錯臺量大小；

5)根據以上步驟計算其他角度對應的環間錯臺情況。