基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，采用骨架线里程投影法和断面轮廓线投影法将任意形状设计断面轮廓的隧道激光雷达点云数据展开成可量测激光雷达隧道正射影像图并以此为参照底图在其上以半透明方式叠加目标量彩色数值分析图。本发明专利技术还提供了对应的方法。本发明专利技术生成的激光雷达隧道正射影像是可以真实反映隧道内壁尺寸、位置的可量测影像，并可以生成包含“4D”信息的隧道正射影像图平面用户报告向隧道结构检测用户直观展示三维的隧道内壁各个部位的断面变形量、平整度。能够如实量测出裂缝、渗水等隧道病害的长度、宽度、面积，从而计算出病害的几何尺寸。为隧道病害的评估和修复提供科学数据，极大提高了隧道检测的生产效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道结构病害检测
，特别涉及一种基于激光雷达LIDAR(俗称“三维激光扫描”)点云数据获取隧道正射影像系统及方法。
技术介绍
地下空间的开发和利用是我国基础设施建设的一个重要方向和特点，如地铁隧道、铁路隧道、公路隧道等。尤其是近10年来城市地下铁路的快速发展，也带来了新的问题。随着投入运营里程的不断增长，现有的传统隧道测量和检测技术和设备越来越跟不上快速增长的运营隧道结构安全检测的需求。目前，国内主要使用全站仪和二维断面仪进行隧道结构变形的几何检测，使用人工肉眼观察结合现场拍照、搭梯子用尺量的原始方法来进行渗水、裂缝等隧道病害的巡检和检测。不仅不方便，而且检测的结果不准确。也有些地方采用了地面激光雷达技术进行检测，地面激光雷达技术可以通过车、内燃或者电力机车载方式以每小时10～40公里速度实现高密度隧道点云数据。这些点云数据中已经包含高精度和高密度的激光打在隧道结构上反射点的三维空间坐标和激光反射强度信息，其定位精度在1～2mm之间，点间距小于5mm的点云格网。目前国内各应用单位和激光扫描仪厂家仅利用了点云中的三维坐标信息来做一些断面的几何尺寸检测，而没有充分利用点云中的高分辨率激光反射强度信息。如图1所示，地面激光雷达设备自带软件生成的普通隧道全景影像视图，横坐标是扫描点在该站扫描文件中所在行数，纵坐标是扫描点所在列数。普通隧道全景影像是扭曲畸变的，无法反映隧道的真实里程、内壁尺寸的真实大小。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种能够生成真实反映隧道内壁尺寸、位置的可量测影像的基于激光雷达点云数据获取隧道正射影像用户检测成果的软件系统。技术方案：本专利技术提供了一种基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，包括，点云文件输入模块、点云数据管理模块、点云数据投影处理模块、激光雷达影像生成模块；所述点云文件输入模块将地面激光雷达获取的带有与隧道骨架线坐标系一致的原始三维点云数据集RD(Nk,Ek,Hk,RLk)，通过隧道的骨架线里程投影法得到点k的隧道骨架线里程Mk；然后按照Mk分段的里程长度范围将原始三维点云数据集RD分成多个点云分段数据集NDj(Mi,Ni,Ei,Hi,RLi)，其中，Nk为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系北坐标，Ek为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系东坐标，Hk为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系高程坐标，RLk为第k个激光点反射回来的激光反射强度；k表示原始三维点云数据集中点的编号，j表示分段后的点云数据集的编号，i表示每个分段后的点云数据集中点的编号，NDj表示第j个分段后的点云数据集，其中Mi表示第j个分段后的点云数据集中第i个点的隧道骨架线里程，Ni表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系北坐标；Ei表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系东坐标；Hi表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系高程坐标；RLi表示第j个分段后的点云数据集中第i个激光点反射回来的激光反射强度；所述点云数据管理模块按照原始文件名结合每个分段点云NDj所覆盖的隧道骨架线里程Mi来管理点云文件输入模块处理好的各个点云文件NDj；所述点云数据管理模块用于提供一个用户界面的入口；所述点云数据投影处理模块根据断面轮廓线投影法将点云文件输入模块中获得的多个点云分段NDj数据集中的每个点按照其对应的骨架线里程Mi，分别投影到点i对应的隧道骨架线里程Mi处的隧道二维断面坐标系OXY中，投影后点i的断面坐标系坐标记为(Mi，Pxi，Pyi)；同时记录点i距离对应的Mi处断面坐标系原点的法线长度Pzi，点i对应的Mi处断面坐标系原点的法线与隧道设计轮廓线的交点DPi到该断面坐标系原点的法线长度DPzi和点i对应的Mi处断面坐标系原点的法线和设计断面轮廓线的交点DPi沿设计断面轮廓线到达DP0点的断面轮廓线最短长度Ppi，根据ΔPzi＝Pzi-DPzi计算实测断面上点i沿法线方向与设计断面轮廓线的差异值ΔPzi，其中，DP0点为设计断面轮廓线与断面坐标系Y轴正方向的交点；点云数据投影处理模块将最后获得的数据结果组成骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,ΔPzi,Ppi,RLi)，更新到数据库中存储；所述激光雷达影像生成模块将点云数据投影处理模块生成的每个点i的骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,ΔPzi,Ppi,RLi)转换成影像坐标系坐标数据集Ij(IRi,ICi,IGi)从而获取隧道正射影像，其中IRi为点i对应的像素在影像中所在行数，ICi为点i对应的像素在影像中所在列数，IGi为点i对应的像素灰度；Pj和Ij之间的换算关系为ICi＝(Mi-Ma)/L/RS，IRi＝Ppi/RS，IGi＝GS×RLi；其中，Ma为起点里程，L为每幅影像覆盖的隧道长度，RS表示隧道正射影像的分辨率，分辨率用像素的宽度表示，单位为米，其中，像素的长宽相同。GS为激光反射强度值与影像灰度值之间的一个固定比例常数。进一步，还包括激光雷达平整度模块；所述激光雷达平整度模块根据点云文件输入模块通过隧道的骨架线里程投影法分段成新的点云数据集NDj(Mi,Ni,Ei,Hi,RLi)计算隧道内壁点i的平整度数值Ui，并将计算出的平整度数值Ui添加到骨架线断面坐标系数据集Pj中，形成新的骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,Ppi,RLi,Ui)。进一步，还包括影像成果报告模块，所述影像成果报告模块根据激光雷达平整度模块生成的平整度数值Ui的数值结合不同的范围区间，将不同平整度数值范围内的点采用不同色彩或者不同形状表示，将点i的平整度数值Ui以半透明彩色分析图的方式叠加到激光雷达隧道正射影像中的对应位置上；进行隧道里程分段的断面变形量、平整度，是否有渗水或裂缝分析。这样能够更加方便的找出隧道中出现问题的地方，更加直观，使用更加方便。进一步，所述骨架线里程投影法是将点云RD中的每个点的隧道骨架坐标系三维坐标(Nk,Ek,Hk)投影到隧道骨架线的垂足上，对应垂足点距离骨架线起点里程的距离为点k所对应的隧道骨架线里程Mk。进一步，所述Mk分段的里程长度范围是根据分段后每个点云单元的数据量大小与计算机硬件的最优分布处理能力所对应的最大数据块粒度大小匹配的原则来选取的。分段的目的是为了减小最小数据块单元的粒度，充分发挥现代多核计算机并行处理能力这样能够将成百上千公里的海量隧道点云数据分割成普通电脑配置可以处理的数据集大小或者具有强大并行计算能力的多核计算机并行处理能力最优化的数据块处理粒度，减少数据处理时间。同时也方便电脑软件根据骨架线里程进行高效率数据检索，加快点云数据处理过程中的检索速度。本专利技术还提供了一种采用上述基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统的隧道正射影像获取方法，包括以下步骤：步骤1：点云文件输入模块采集每个原始点云文件数据RD(Nk,Ek,Hk,RLk)，其中(Nk,Ek,Hk)为点k在隧道骨架线控制坐标系下坐标，k表示点云中每个点的标号；步骤2：读入骨架线三维设计数据中的各个几本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，其特征在于：包括，点云文件输入模块、点云数据管理模块、点云数据投影处理模块、激光雷达影像生成模块；所述点云文件输入模块将地面激光雷达获取的带有与隧道骨架线坐标系一致的原始三维点云数据集RD(Nk,Ek,Hk,RLk)，通过隧道的骨架线里程投影法得到点k的隧道骨架线里程Mk；然后按照Mk分段的里程长度范围将原始三维点云数据集RD分成多个点云分段数据集NDj(Mi,Ni,Ei,Hi,RLi)；其中，Nk为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系北坐标，Ek为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系东坐标，Hk为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系高程坐标，RLk为第k个激光点反射回来的激光反射强度；k表示原始三维点云数据集中点的编号，j表示分段后的点云数据集的编号，i表示每个分段后的点云数据集中点的编号，NDj表示第j个分段后的点云数据集，其中Mi表示第j个分段后的点云数据集中第i个点的隧道骨架线里程，Ni表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系北坐标；Ei表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系东坐标；Hi表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系高程坐标；RLi表示第j个分段后的点云数据集中第i个激光点反射回来的激光反射强度；所述点云数据管理模块按照原始文件名结合每个分段点云NDj所覆盖的隧道骨架线里程Mi来管理点云文件输入模块处理好的各个点云文件NDj；所述点云数据管理模块用于提供一个用户界面的入口；所述点云数据投影处理模块根据断面轮廓线投影法将点云文件输入模块中获得的多个点云分段NDj数据集中的每个点按照其对应的骨架线里程Mi，分别投影到该点对应的隧道骨架线里程处的隧道二维断面坐标系OXY中，投影后点i的断面坐标系坐标记为(Mi，Pxi，Pyi)；同时记录点i距离对应的Mi处断面坐标系原点的法线长度Pzi，点i对应的Mi处断面坐标系原点的法线与隧道设计轮廓线的交点DPi到该断面坐标系原点的法线长度DPzi和点i对应的Mi处断面坐标系原点的法线和设计断面轮廓线的交点DPi沿设计断面轮廓线到达DP0点的断面轮廓线最短长度Ppi，根据ΔPzi＝Pzi‑DPzi计算实测断面上点i沿法线方向与设计断面轮廓线的差异值ΔPzi，其中，DP0点为设计断面轮廓线与断面坐标系Y轴正方向的交点；点云数据投影处理模块将最后获得的数 据结果组成骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,ΔPzi,Ppi,RLi)，更新到数据库中存储；所述激光雷达影像生成模块将点云数据投影处理模块生成的每个点i的骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,Ppi,RLi)转换成影像坐标系坐标数据集Ij(IRi,ICi,IGi)从而获取隧道正射影像，其中IRi为点i对应的像素在影像中所在行数，ICi为点i对应的像素在影像中所在列数，IGi为点i对应的像素灰度；Pj和Ij之间的换算关系为ICi＝(Mi‑Ma)/L/RS，IRi＝Ppi/RS，IGi＝GS×RLi；其中，Ma为起点里程，L为每幅影像覆盖的隧道长度，RS表示隧道正射影像的分辨率，分辨率用像素的宽度表示，单位为米，GS为激光反射强度值与影像灰度值之间的一个固定比例常数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，其特征在于：包括，点云文件输入模块、点云数据管理模块、点云数据投影处理模块、激光雷达影像生成模块；所述点云文件输入模块将地面激光雷达获取的带有与隧道骨架线坐标系一致的原始三维点云数据集RD(Nk,Ek,Hk,RLk)，通过隧道的骨架线里程投影法得到点k的隧道骨架线里程Mk；然后按照Mk分段的里程长度范围将原始三维点云数据集RD分成多个点云分段数据集NDj(Mi,Ni,Ei,Hi,RLi)；其中，Nk为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系北坐标，Ek为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系东坐标，Hk为隧道壁返回的第k个激光点对应的骨架线坐标系高程坐标，RLk为第k个激光点反射回来的激光反射强度；k表示原始三维点云数据集中点的编号，j表示分段后的点云数据集的编号，i表示每个分段后的点云数据集中点的编号，NDj表示第j个分段后的点云数据集，其中Mi表示第j个分段后的点云数据集中第i个点的隧道骨架线里程，Ni表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系北坐标；Ei表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系东坐标；Hi表示第j个分段后的点云数据集中隧道壁返回的第i个激光点对应的骨架线坐标系高程坐标；RLi表示第j个分段后的点云数据集中第i个激光点反射回来的激光反射强度；所述点云数据管理模块按照原始文件名结合每个分段点云NDj所覆盖的隧道骨架线里程Mi来管理点云文件输入模块处理好的各个点云文件NDj；所述点云数据管理模块用于提供一个用户界面的入口；所述点云数据投影处理模块根据断面轮廓线投影法将点云文件输入模块中获得的多个点云分段NDj数据集中的每个点按照其对应的骨架线里程Mi，分别投影到该点对应的隧道骨架线里程处的隧道二维断面坐标系OXY中，投影后点i的断面坐标系坐标记为(Mi，Pxi，Pyi)；同时记录点i距离对应的Mi处断面坐标系原点的法线长度Pzi，点i对应的Mi处断面坐标系原点的法线与隧道设计轮廓线的交点DPi到该断面坐标系原点的法线长度DPzi和点i对应的Mi处断面坐标系原点的法线和设计断面轮廓线的交点DPi沿设计断面轮廓线到达DP0点的断面轮廓线最短长度Ppi，根据ΔPzi＝Pzi-DPzi计算实测断面上点i沿法线方向与设计断面轮廓线的差异值ΔPzi，其中，DP0点为设计断面轮廓线与断面坐标系Y轴正方向的交点；点云数据投影处理模块将最后获得的数 据结果组成骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,ΔPzi,Ppi,RLi)，更新到数据库中存储；所述激光雷达影像生成模块将点云数据投影处理模块生成的每个点i的骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,Ppi,RLi)转换成影像坐标系坐标数据集Ij(IRi,ICi,IGi)从而获取隧道正射影像，其中IRi为点i对应的像素在影像中所在行数，ICi为点i对应的像素在影像中所在列数，IGi为点i对应的像素灰度；Pj和Ij之间的换算关系为ICi＝(Mi-Ma)/L/RS，IRi＝Ppi/RS，IGi＝GS×RLi；其中，Ma为起点里程，L为每幅影像覆盖的隧道长度，RS表示隧道正射影像的分辨率，分辨率用像素的宽度表示，单位为米，GS为激光反射强度值与影像灰度值之间的一个固定比例常数。2.根据权利要求1所述的基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，其特征在于：还包括激光雷达平整度模块；所述激光雷达平整度模块根据点云文件输入模块通过隧道的骨架线里程投影法分段成新的点云数据集NDj(Mi,Ni,Ei,Hi,RLi)计算隧道内壁点i的平整度数值Ui，并将计算出的平整度数值Ui添加到骨架线断面坐标系数据集Pj中，形成新的骨架线断面坐标系数据集Pj(Mi,Pxi,Pyi,Pzi,Ppi,RLi,Ui)。3.根据权利要求2所述的基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，其特征在于：还包括影像成果报告模块，所述影像成果报告模块根据激光雷达平整度模块生成的平整度数值Ui的数值结合不同的范围区间，将不同平整度数值范围内的点采用不同色彩或者不同形状表示，将点i的平整度数值Ui以半透明彩色分析图的方式叠加到激光雷达隧道正射影像中对应位置上；进行隧道里程分段的断面变形量、平整度，是否有渗水或裂缝分析。4.根据权利要求1所述的基于激光雷达LIDAR点云数据获取隧道正射影像系统，其特征在于：所述骨架线里程投影法是将点云RD中的每个点的隧道骨架坐标系三维坐标(Nk,Ek...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤相骏，
申请(专利权)人：上海数联空间科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31