[發(fā)明專利]基于點云數(shù)據(jù)提取盾構(gòu)隧道襯砌錯臺量的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811089324.1
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109341671B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鮑艷;王博群;王風杰;郭穩(wěn);王瑩瑩;盧建軍;鮑逸瑋
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

1.一種基于點云數(shù)據(jù)提取盾構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(xiàn)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(huán)襯砌對應(yīng)斷面的提取

在隧道的整體點云數(shù)據(jù)處于絕對坐標系下后，為了能夠提取不同里程、不同環(huán)數(shù)的橫斷面，需要提取隧道在該環(huán)斷面處的空間姿態(tài)信息；通過該環(huán)斷面附近點云的法向量來提取該斷面處的空間姿態(tài)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(huán)斷面附近點云的點云法向量與斷面法向量互相垂直的關(guān)系，提取斷面法向量；

根據(jù)隧道的設(shè)計文件，得到不同里程或環(huán)數(shù)斷面的設(shè)計坐標,利用斷面的法向量和設(shè)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(huán)內(nèi)錯臺量的提取

將第二步獲取的橫斷面點云數(shù)據(jù)進行坐標變換，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、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(shè)計半徑之差Δ，根據(jù)每個斷面點對應(yīng)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(nèi)顯示Δ與α之間的關(guān)系，根據(jù)Δ否有突變判斷環(huán)內(nèi)錯臺的有無，根據(jù)突變量判斷錯臺量大小；

第四步：環(huán)間錯臺量的提取

截取至少相鄰兩環(huán)對應(yīng)附近的點云數(shù)據(jù)；然后提取極坐標角度為α的縱斷面的點云數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)通過旋轉(zhuǎn)、投影到平面上進行二維分析；若在兩環(huán)管片連接處發(fā)生了環(huán)間管片錯臺，最重要的特征是在前一環(huán)的尾部點和后一環(huán)的始部點到某一直線的距離發(fā)生了突變，突變量的大小為管片環(huán)間錯臺量。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于點云數(shù)據(jù)提取盾構(gòu)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(jié)點對應(yīng)的法向量由幾何關(guān)系可知：每個節(jié)點對應(yīng)的點云法向量與斷面法向量是互相垂直的，設(shè)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(jù)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(jù)隧道的設(shè)計文件，可以得到不同里程或環(huán)數(shù)斷面的設(shè)計坐標(X,Y,Z),利用平面的法向量和設(shè)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(shè)置點到平面的距離k，單站點云數(shù)據(jù)中k取掃描儀的角分辨率；多站拼接后的點云數(shù)據(jù)k取點云之間的平均距離，根據(jù)公式(4)進行隧道的斷面截取：

3.按照權(quán)利要求1所述的一種基于點云數(shù)據(jù)提取盾構(gòu)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(yīng)的斷面點云數(shù)據(jù),即某環(huán)對應(yīng)的橫斷面點云數(shù)據(jù)；

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(shè)計半徑之差Δ，計算每個斷面點對應(yīng)的角度值α；

3)根據(jù)每個點對應(yīng)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(nèi)顯示Δ與α之間的關(guān)系；

4)根據(jù)Δ在0-360°內(nèi)有無突變判斷環(huán)內(nèi)錯臺的有無，計算突變大小即為錯臺量大小。

4.按照權(quán)利要求1所述的一種基于點云數(shù)據(jù)提取盾構(gòu)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(shù)據(jù),即某環(huán)對應(yīng)附近的點云數(shù)據(jù)，要包括相鄰兩環(huán)的點云數(shù)據(jù)；

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

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

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

5)根據(jù)以上步驟計算其他角度對應(yīng)的環(huán)間錯臺情況。