[發明專利]基于激光點云的隧道限界分析方法、裝置和系統

有效

• 申請號: 202010218307.4
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111322985B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 汪俊;吳宇祥;魯德寧
• 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
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 陳月菊

1.一種基于激光點云的隧道限界分析方法，其特征在于，所述隧道限界分析方法包括以下步驟：

S1，獲取隧道點云數據；

S2，對隧道點云數據做圓柱擬合，提取隧道中軸線，結合隧道中軸線截取隧道斷面；

S3，提取軌道點云子集；

S4，結合軌道點云子集構建限界輪廓基準線，提取隧道斷面中心，結合約束條件進行限界-斷面點云配準；

S5，對配準后的斷面點云和限界輪廓點云進行分析，判斷侵界情況。

2.根據權利要求1所述的基于激光點云的隧道限界分析方法，其特征在于，步驟S1中，所述獲取隧道點云數據的過程包括以下步驟：

使用三維激光掃描儀對隧道進行掃描，獲取隧道點云數據；

對所有的隧道點云數據進行分段截取。

3.根據權利要求2所述的基于激光點云的隧道限界分析方法，其特征在于，每段長度為10環管片。

4.根據權利要求1所述的基于激光點云的隧道限界分析方法，其特征在于，步驟S2中，所述對隧道點云數據做圓柱擬合，提取隧道中軸線，結合隧道中軸線截取隧道斷面的過程包括以下步驟：

S21，采用高斯映射擬合方法對所述隧道點云數據進行圓柱擬合，提取得到隧道中軸線；

S22，基于隧道點云數據中任意一點p及該點的軸線方向，截取單個隧道點云斷面數據，構建截平面；

S23，將隧道點云斷面沿提取得到的隧道中軸線進行投影，得到二維斷面數據。

5.根據權利要求1所述的基于激光點云的隧道限界分析方法，其特征在于，步驟S3中，所述提取軌道點云子集的過程包括以下步驟：

從隧道點云數據中提取軌道點云數據，分別選定兩個軌道點云數據中的任意一點p_i、p_j，對兩個軌道點云子集進行歐式距離聚類。

6.根據權利要求1所述的基于激光點云的隧道限界分析方法，其特征在于，步驟S4中，所述約束條件的獲取過程包括以下步驟：

從兩個軌道點云數據中選擇各自對應的最高點，分別設定成z_max_i、z_max_j，根據兩個最高點構建直線l，計算直線l的斜率k；

根據所述隧道斷面數據進行ransac圓擬合，得到圓心c以及圓心的橫坐標c.x；

設置兩個約束條件：(1)限界輪廓包圍框底邊與直線l重合；(2)限界輪廓中心橫坐標c₀.x＝c.x。

7.根據權利要求1所述的基于激光點云的隧道限界分析方法，其特征在于，步驟S5中，所述對配準后的斷面點云和限界輪廓點云進行分析，判斷侵界情況的過程包括以下步驟：

針對斷面點云中任一點p_i，通過KNN檢索出限界輪廓點云中的最近點p_in，通過侵界函數判斷侵界情況；

所述侵界函數為：

S＝||p_i-c||-||p_in-c||

其中，p_i為斷面點云中任意點，p_in為通過KNN檢索出限界輪廓點云的最近點；當侵界函數S0時，則判定為侵界，否則判定為不侵界。

8.一種基于激光點云的隧道限界分析裝置，其特征在于，所述隧道限界分析裝置包括：

數據獲取模塊，用于獲取隧道點云數據；

預處理模塊，用于預處理隧道點云數據，截取管片，提取隧道中軸線和軌道點云子集；其中，軌道點云子集用于后續處理模塊中的點云配準；

分析模塊，用于計算軌道直線和隧道圓心，通過約束條件將界限輪廓點云與斷面點云配準，并結合配準后的數據進行限界分析。

9.根據權利要求8所述的基于激光點云的隧道限界分析裝置，其特征在于，所述預處理模塊包括：

截取單元，用于將點云數據分段進行截??；

軌道提取單元，用于從隧道點云數據中提取軌道點云數據，通過兩個軌道點云子集進行歐氏聚類，提取得到兩軌道點云子集。

10.一種基于激光點云的隧道限界分析系統，其特征在于，所述隧道限界分析系統包括三維掃描儀、處理器、存儲器，和儲存在存儲器上用于實現權利要求1-7中任意一項中所述的隧道限界分析方法的程序；

所述隧道限界分析系統安裝在隧道檢測車上；

所述三維掃描儀與處理器連接，用于對隧道進行掃描，獲取隧道點云數據，將獲取的隧道點云數據發送至處理器。