[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

本發明公開了一種基于激光點云的隧道限界分析方法，包括：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。本發明不要求移動掃描初始狀態與隧道軸線嚴格垂直，可以允許分析過程中存在數據噪聲，魯棒性強；另外，結合約束條件進行限界?斷面點云配準，能夠精確獲取限界輪廓與斷面之間的相對位置關系，快速得到侵界判定，判定結果精度高，且不局限于某個特定結構隧道，適用性強。

技術領域

本發明涉及隧道限界分析技術領域，具體而言涉及一種基于激光點云的隧道限界分析方法、裝置和系統。

背景技術

隨著軌道交通技術的快速發展，早期建設的地鐵隧道基礎設施已經進入養護維護期，而新建成的地鐵隧道，因地質、地下水、鄰近基坑施工以及本身結構負荷等各方面的綜合影響，可能會使隧道結構產生形變，這嚴重危害隧道安全和列車運行，必須及時準確的進行長期的形變監測，以便及時發現和預報險情，保證隧道運營安全。特別是，隧道形變分析和限界分析結果是列車安全狀態最直接的表觀反映，如果對地鐵隧道形變趨勢不及時預警，隧道發生形變，由于隧道管片剛度較大，圓隧道結構的形變首先表現為對管片拼裝接縫處的拉張和擠壓，導致管片兩端的碎裂和止水帶失效，會使隧道基礎設施進一步被破壞，一旦發生事故，給生命財產帶來巨大損失。

長期以來，隧道檢測依賴人工手動測量和目視檢查，效率精度低，消耗大量人力物力。近年來，隨著我國城市地鐵工程建設規模的擴大，三維激光掃描技術逐漸進入地鐵隧道檢測領域，獲取的大規模三維激光點云數據不僅含有隧道坐標信息，還包含激光反射率信息，準確反映了隧道表面形變狀態。但是傳統的全站儀測量得到離散數據，數據完整度低、精度低，后續數據處理難度大。而最近出現的軌道小車系統解決了這一問題，通過車載三維激光掃描技術獲得的隧道點云數據進行形變分析，能夠對地鐵隧道可能出現的問題及時采取處理措施。例如，專利號為CN108731640A的發明專利中公開了一種基于點云數據的地鐵限界檢測方法及檢測系統，該地鐵限界的檢測方法包括：獲取隧道的測量數據，測量數據包括由激光掃描儀采集的點云數據；根據測量數據生成隧道的斷面圖；獲取地鐵的限界參數并根據限界參數生成地鐵的限界圖；以及將限界圖與斷面圖進行比對，并根據地鐵的限界檢測標準參數得到限界分析成果。該發明通過獲取斷面的點云數據，然后生成隧道的斷面圖和地鐵的限界圖，再將地鐵的限界圖與隧道的斷面圖進行比對，根據比對的結果和地鐵的限界檢測標準參數得到限界分析成果，實現了對地鐵限界的自動化檢測；而且通過采用激光掃描儀采集的點云數據，實現了地鐵隧道空間的三維全角度測量，提高了檢測的準確性。

前述方法需要已知地鐵的限界檢測標準參數才可以順利進行，另外，在移動地鐵隧道掃描過程中，由于移動掃描初始狀態標定未與隧道軸線嚴格垂直、設備移動過程中振動等原因，掃描得到的地鐵隧道點云數據無法直接得到地鐵形變信息和隧道限界分析結果，這需要對掃描得到的數據進行預處理和后期分析，而且，為了點云數據的準確性，需要搭建高成本的檢測裝置。在專利號為CN110793501A的發明專利中公開了一種地鐵隧道限界檢測方法，解決了目前對于隧道侵界的檢測效率低、成本高的弊端，其技術方案要點是通過三維激光掃描檢測裝置掃描獲取隧道斷面點云，生成斷面點云圖的外接矩形框，將矩形框內的斷面點云轉換成斷面圖像；標記斷面圖像中隧道特征點以獲得樣本集；搭建基于卷積神經網絡的回歸模型，通過標記獲得的樣本集對回歸模型進行訓練、測試，再通過回歸模型進行預測；獲取軌道車的輪廓線，識別特征點以統一軌道車坐標與斷面點云坐標并疊加，基于回歸模型對軌道車在隧道內是否侵界進行判斷，該發明能通過模型計算將軌道車和斷面點云進行坐標系的統一，高效便捷的進行侵界的判斷。然而，這種回歸模型需要大量的樣本數據予以支撐，且計算過程復雜，且對于不同結構的隧道需要重新創建模型，精度和效率都很低，無法滿足現代化隧道檢測與監測的要求。

針對現有技術中無法檢測限界輪廓與隧道斷面之間是否侵界的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

發明內容