[發明專利]一種基于點云數據提取運營期隧道接觸網高度和拉出值的方法

在審

• 申請號: 202110618907.4
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN114049457A
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 鮑艷;高利業;盧建軍;李文海;金日范;倪樹新;王博;邢峻豪;姚相宇
• 申請（專利權）人: 北京工業大學;南京慧筑信息技術研究院有限公司;南通昊創智能科技有限公司
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20;G06T17/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種基于點云數據提取運營期隧道接觸網高度和拉出值的方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步：點云數據獲取

利用站式三維激光掃描儀，進行現場掃描獲取隧道點云數據；

第二步：隧道中軸線提取

在隧道的整體點云數據處于絕對坐標系下后，提取表達隧道的姿態和走勢的空間曲線，即隧道的邊界線，將隧道點云數據向XOY面投影獲取邊界部分點云，采用最小二乘法擬合出邊界部分點云的平面方程，將隧道點云數據投影至YOZ面上，提取出上邊界點，利用RANSAC隨機采樣一致性算法結合最小二乘法擬合一條二次曲線，將此二次曲線投影至XOY面所擬合的平面上得到隧道的空間三維中軸線，通過中軸線獲取隧道走向與坐標軸夾角；

第三步：運營期隧道斷面的提取

在隧道的整體點云數據處于絕對坐標系下后，為提取不同里程、不同環數的斷面，采用雙向投影法得出隧道中軸線走向，將需要提取斷面里程處的中軸線與XOY平面夾角以及與YOZ平面夾角提取出，運營期隧道的點云數據經過旋轉使其母線平行坐標系的某一坐標軸，然后通過合理設置斷面點到平面的距離來截取斷面；

第四步：隧道導高值和拉出值的提取

將第三步獲取的橫斷面點云數據投影到二維平面，將點云中心平移至坐標軸中心，根據坐標的范圍確定出軌道點云位置和接觸網點云位置，進而確定出兩條軌道中心點位置和導線底點位置坐標，根據兩個軌道中心坐標和導線底點位置坐標確定出導高和拉出值。

2.按照權利要求1所述的一種基于點云數據提取運營期隧道導高和拉出值的方法，其特征在于，所述第二步的具體步驟包括：

1)設以三維激光掃描儀為坐標原點，Y軸為隧道走向方向，X軸與Y軸垂直且兩軸均位于橫向掃描面內，Z軸位于豎向掃描面內，三個軸互相垂直構成右手坐標系；將隧道點云數據投影至XOY面上，提取隧道投影兩側的邊界點集；

2)根據提取出邊界點的xyz坐標值，擬合平面；設平面的方程為：

z＝ax+by+c

從提取出來的邊界點云集中隨機抽取3個數據點，若這三點不共線，則將三個點的坐標代入方程，解算出參數a、b、c，得到平面模型方程Z1；否則重新選取三個點進行計算，數據點與參數模型的誤差用各個點到平面的距離來表示，計算邊界點云集內各個剩余點到平面Z1的距離di；算出平均距離dp，數據點到平面的距離與平均距離的標準差為σ；選取誤差最小的有效模型，對該模型中的所有有效數據點進行最小二乘法擬合平面，最終得出參數的平面方程；

3)將隧道點云數據投影至YOZ面上，提取出上邊界點；利用RANSAC隨機采樣一致性算法結合最小二乘法擬合一條二次曲線；

4)將上述步驟3)計算得出在YOZ面的上邊界投影到步驟2)中所擬合出的平面，即得到隧道的空間三維中軸線。

3.按照權利要求1所述的一種基于點云數據提取運營期隧道導高和拉出值的方法，其特征在于，所述第三步中提取隧道橫斷面，具體步驟為：

1)由于已經求出中軸線信息，提取出需要求取里程的中軸線的法向量方向信息，將原始隧道點云數據經過旋轉、平移，使隧道點云數據的母線平行于坐標y軸；

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)利用經過旋轉、平移之后的隧道表面的點云數據到該平面的距離進行截取隧道橫斷面。

4.按照權利要求1所述的一種基于點云數據提取運營期隧道導高和拉出值的方法，其特征在于，所述第四步中提取隧道導高和拉出值，具體步驟為：

1)提取里程方向對應某一環的斷面點云數據進行分析，首先分析提取出的斷面點云中心點，確定軌道點云和接觸網部分點云大致范圍，初步粗提取出軌道點云和接觸網點云部分；

2)在粗提取的軌道點云和接觸網點云中根據其位置特征，利用閾值精確的提取出軌道坐標位置與接觸網下邊界位置；

3)直線段與曲線段拉出值定義不同，因此根據里程不同信息，將曲線段與直線段拉出值分別計算，利用三角形幾何關系求出某一斷面的導高和拉出值。