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CN113269679B - 一种圆形隧道结构中心线提取方法 - Google Patents

一种圆形隧道结构中心线提取方法 Download PDF

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段伟
侯东亚
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Abstract

本发明是一种圆形隧道结构中心线提取方法，该方法基于扫描点云提取的轨面中心线或者设计结构中心线为基准，通过设置点云区间提取间隔实现隧道点云区间划分，将点云区间转化为二维点云并去噪，利用点云区间对应轨面中心线或设计结构中心线的重心、方向向量和投影向量，计算每个区间的结构中心点，连接形成结构中心线。该种圆形隧道结构中心线提取方法以高效、高密度的隧道点云数据为基础进行隧道结构线自动提取，为基于点云实现隧道结构施工质量和安全运营状态检测提供点云区间划分基础，保证了隧道结构施工质量和安全运营状态检测的高效率和高质量。

Description

一种圆形隧道结构中心线提取方法
技术领域
本发明涉及隧道结构施工检测技术领域，具体的说是一种圆形隧道结构中心线提取方法。
背景技术
超欠挖控制是地铁隧道施工质量评定的重要内容之一。目前对地铁隧道进行断面测量主要有两种方法，一种是断面仪法，这种方法需要先放样出隧道结构中心线，然后在指定里程的隧道中心线处架设仪器，按照设定的测量参数对当前里程断面进行空间数据采集，作业效率较低，且断面仪用途单一。另外一种常用的方法是采用全自动测量全站仪，并搭载有断面测量机载程序，这种方法不需要放样出隧道中心线，架站方式灵活，自动化程度相对较高，但是结果仍然是以逐个独立的点位表现，局限于平面展现，无法全面反映隧道开挖超欠挖情况。
地铁隧道竣工后，由于地质及周边施工的影响，隧道结构随之会发生变形，或是发生裂缝、渗水等情况，从而对地铁运营产生安全隐患，为检测隧道的安全状况，一般做法是通过人工巡检的方式来进行检查、判别裂缝、渗水等情况，该方法效率低，且容易漏检，隧道变形则一般通过全站仪、水准仪进行实测隧道收敛变形和沉降，通过后处理并与设计或是初始状态进行对比，来分析、判别隧道的空间形态变化情况。
三维激光扫描仪测量是近几年应用于地铁隧道工程测量的新型测量技术，它是一种通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器，是一种非接触式主动测量系统。突破传统的单点测量技术，使得外业测量更加高效便捷，为空间三维数据的获取提供了有效的测量手段，以点云的形式采集并保存空间物体表面的三维几何信息和纹理数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种圆形隧道结构中心线提取方法，该种圆形隧道结构中心线提取方法以高效、高密度的隧道点云数据为基础进行隧道结构线自动提取，为基于点云实现隧道结构施工质量和安全运营状态检测提供点云区间划分基础，保证了隧道结构施工质量和安全运营状态检测的高效率和高质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种圆形隧道结构中心线提取方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1，获取隧道结构的点云数据，获取轨面中心线或设计结构中心线数据，确定点云的里程配付；
步骤2，确定提取隧道结构中心线使用的点云断面间隔；
步骤3，根据轨面中心线或设计结构中心线上的点，计算每个区间的轨面中心线或设计结构中心线的重心、方向向量D，以及垂直方向向量D的两个投影向量PX和PY；
步骤4，将每个区间的点云沿轨面中心线或设计结构中心线方向向量投影成二维点云，并将二维点云以网格划分的方式转换为二维视图显示；
步骤5，删除二维图像中的噪点和孤立点，获得去噪后的二维点云；
步骤6，将二维点云拟合为圆，得到圆心坐标；
步骤7，根据每段轨面中心线或设计结构中心线的重心、方向向量和投影向量，反算二维点云圆心的三维坐标，即为三维点云区间的结构中心点坐标；
步骤8，将每个三维点云区间的结构中心点里程及坐标信息按顺序存储，并顺次连接生成结构中心线。
步骤1中隧道结构的点云数据通过三维激光扫描仪测量获取。
步骤1中当隧道结构处于未铺设轨道状态时，获取设计结构中心线数据。
步骤3中每个区间轨面中心线或设计结构中心线的重心坐标为(Sx，Sy，Sz)、方向向量D为(Dx，Dy，Dz)，垂直方向向量D的两个投影向量分别为PX(PXx，PXy，PXz)和PY(PYx，PYy，PYz)；
步骤4中每个区间的点云坐标为(x，y，z)，每个点云坐标沿方向向量D投影成二维点云坐标(X，Y)，转换公式具体如下：
步骤6中二维点云拟合得到的圆的圆心坐标为(XC，YC)，则步骤7中三维点云区间的结构中心点坐标(xc，yc，zc)的计算公式如下：
该种圆形隧道结构中心线提取方法能够达到的有益效果为：该方法基于扫描点云提取的轨面中心线或者设计结构中心线为基准，通过设置点云区间提取间隔实现隧道点云区间划分，将点云区间转化为二维点云并去噪，利用点云区间对应轨面中心线或设计结构中心线的重心、方向向量和投影向量，计算每个区间的结构中心点，连接形成结构中心线。该种隧道结构中心线提取方法适用于未铺设轨道的隧道结构中心线提取，也适用于运营隧道的结构中心线提取。
附图说明
图1为本发明一种圆形隧道结构中心线提取方法中隧道结构中心线整体视图。
图2为本发明一种圆形隧道结构中心线提取方法中未铺轨隧道点云及提取的隧道结构中心线示意图。
图3为本发明一种圆形隧道结构中心线提取方法中铺轨隧道点云及提取的隧道结构中心线示意图。
图4为本发明一种圆形隧道结构中心线提取方法中隧道结构中心线TSC文件格式及部分内容。
图5为本发明一种圆形隧道结构中心线提取方法中施工/竣工的隧道断面二维点云视图。
图6为本发明一种圆形隧道结构中心线提取方法中运营的隧道断面二维点云视图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
一种圆形隧道结构中心线提取方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1，获取隧道结构的点云数据，获取轨面中心线或设计结构中心线数据，确定点云的里程配付；
步骤2，确定提取隧道结构中心线使用的点云断面间隔，按照确定的点云断面间隔将隧道结构分为若干个区间；
步骤3，根据轨面中心线或设计结构中心线上的点，计算每个区间的轨面中心线或设计结构中心线的重心、方向向量D，以及垂直方向向量D的两个投影向量PX和PY；
步骤4，将每个区间的点云沿轨面中心线或设计结构中心线方向向量投影成二维点云，并将二维点云以网格划分的方式转换为二维视图显示；
步骤5，删除二维图像中的噪点和孤立点，获得去噪后的二维点云；
步骤6，将二维点云拟合为圆，得到圆心坐标；
步骤7，根据每段轨面中心线或设计结构中心线的重心、方向向量和投影向量，反算二维点云圆心的三维坐标，即为三维点云区间的结构中心点坐标；
步骤8，将每个三维点云区间的结构中心点里程及坐标信息按顺序存储，并顺次连接生成结构中心线。
进一步的，本实施例中，步骤1中隧道结构的点云数据通过三维激光扫描仪测量获取。对于施工/竣工未铺设轨道的隧道，采用静站扫描、标靶拼接的方式采集隧道结构点云，通过导入设计结构中心线实现点云分区；对于运营隧道，可采用静站扫描和移动扫描的方式采集隧道结构点云，通过导入的轨面中线实现点云分区。其中隧道结构中心线是利用三维激光扫描技术实现地铁施工质量检测和运营安全状态监测的基础数据。
进一步的，本实施例中，步骤3中每个区间轨面中心线或设计结构中心线的重心坐标为(Sx，Sy，Sz)、方向向量D为(Dx，Dy，Dz)，垂直方向向量D的两个投影向量分别为PX(PXx，PXy，PXz)和PY(PYx，PYy，PYz)；
步骤4中每个区间的点云坐标为(x，y，z)，每个点云坐标沿方向向量D投影成二维点云坐标(X，Y)，转换公式具体如下：
步骤6中二维点云拟合得到的圆的圆心坐标为(XC，YC)，则步骤7中三维点云区间的结构中心点坐标(xc，yc，zc)的计算公式如下：
进一步的，本实施例中，将每个三维点云区间的结构中心点里程及坐标信息按顺序存储到TSC格式文件，并顺次连接生成结构中心线，支持导出tsc、dxf格式文件。
该方法可应用于轨道交通结构测量与病害检测的相关系统中，按顺序打开软件，添加项目，导入隧道结构点云、轨面中心线或设计结构中心线数据后确定隧道点云的里程配付。点击“结构分析-提取中心线”按钮，在弹出配置对话框中输入“提取间隔”，点击确定，通过上述计算生成隧道结构中心线。点击“导出结构中心线”，完成结构中心线的导出与存储。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种圆形隧道结构中心线提取方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1，获取隧道结构的点云数据，获取轨面中心线或设计结构中心线数据，确定点云的里程配付；
步骤2，确定提取隧道结构中心线使用的点云断面间隔，按照确定的点云断面间隔将隧道结构分为若干个区间；
步骤3，根据轨面中心线或设计结构中心线上的点，计算每个区间的轨面中心线或设计结构中心线的重心、方向向量D，以及垂直方向向量D的两个投影向量PX和PY；
所述的每个区间轨面中心线或设计结构中心线的重心坐标为(Sx，Sy，Sz)、方向向量D为(Dx，Dy，Dz)，垂直方向向量D的两个投影向量分别为PX(PXx，PXy，PXz)和PY(PYx，PYy，PYz)；
步骤4，将每个区间的点云沿轨面中心线或设计结构中心线方向向量投影成二维点云，并将二维点云以网格划分的方式转换为二维视图显示；
步骤5，删除二维图像中的噪点和孤立点，获得去噪后的二维点云；
步骤6，将二维点云拟合为圆，得到圆心坐标；步骤7，根据每段轨面中心线或设计结构中心线的重心、方向向量和投影向量，反算二维点云圆心的三维坐标，即为三维点云区间的结构中心点坐标；
所述三维点云区间的结构中心点坐标(xc，yc，zc)的计算公式如下：
其中，(XC，YC)为步骤6得到的圆心坐标；
步骤8，将每个三维点云区间的结构中心点里程及坐标信息按顺序存储，并顺次连接生成结构中心线。
2.如权利要求1所述的一种圆形隧道结构中心线提取方法，其特征在于：步骤1中隧道结构的点云数据通过三维激光扫描仪测量获取。
3.如权利要求1所述的一种圆形隧道结构中心线提取方法，其特征在于：步骤1中当隧道结构处于未铺设轨道状态时，获取设计结构中心线数据。
4.如权利要求1所述的一种圆形隧道结构中心线提取方法，其特征在于：
步骤4中每个区间的点云坐标为(x，y，z)，每个点云坐标沿方向向量D投影成二维点云坐标(X，Y)，转换公式具体如下：
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