基于激光点云的隧道超欠挖检测方法技术

本发明专利技术公开了一种隧道超欠挖检测方法，包括以下步骤：S1、根据隧道线路的中线资料，设定断面厚度值和宽度值，进行隧道断面点云的自动分割；S2、将分割的断面点云投影至XOY平面上，采用凸包提取方法，进行断面点云轮廓线的自动提取，得到实测断面线；S3、利用隧道设计断面,计算其特征点至所述实测断面线的距离及方位，进行超欠挖的自动检测。本发明专利技术利用三维激光点云数据进行隧道超欠挖检测，采用半径搜索与矩形分割算法，实现断面点云的快速分割；基于多边形相交算法的超欠挖面积统计，适用于多种隧道类型的超欠挖检测；相对于传统的全站仪断面测量方式，其检测效率高、结果全面详实，测量精度满足超欠挖检测要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隧道超欠挖检测领域，特别是涉及一种采用三维激光扫描仪及其激光点云处理算法进行隧道超欠挖检测的方法。
技术介绍
公路、铁路及城市轨道交通等工程的隧道结构，其断面设计形状不尽相同。隧道施工方法有矿山法、盾构法、明挖法、暗挖法等，其施工工艺也有较大区别。无论何种结构类型与何种施工方法的隧道，由于测量及施工过程中产生的误差，实测隧道断面与设计断面在形状和位置上均会存在不一致的情况。采用矿山法、明挖法或者暗挖法的隧道，在施工过程中需要进行隧道的超欠挖检测，以判断隧道净空是否满足设计断面要求，超欠挖不仅影响施工成本，而且对围岩的稳定性也有很大影响。目前，隧道超欠挖的检测方法主要是采用全站仪或断面仪等设备，逐断面逐点方式进行全断面测量，此类方法检测效率较低，很难满足隧道施工过程中大量超欠挖检测工作的需求。Wang等人提出将断面点云分别投影至XOY和YOZ平面上，并提取投影点云边缘轮廓线，再将提取的断面线导入AutoCAD中，采用射线相交的方式实现高速公路隧道的超欠挖检测(ZHANGX,LIS,WANGZ.Continuoussectionextractionandoverunderbreakdetectionoftunnelbasedon3Dlasertechnologyandimageanalysis；proceedingsoftheIS&T/SPIEElectronicImaging,F,2015[C].InternationalSocietyforOpticsandPhotonics)。该方法解决了圆形隧道超欠挖检测问题，其检测效率较常规检测方法有所提高，但是该方法存在以下缺点：(1)此方法仅适用于圆形隧道，不适用于马蹄形、矩形等其他类型的隧道。由于在提取隧道断面线时，采用截取小段隧道激光点云，分别将此段落的激光点云投影至XOY和YOZ平面上。采用曲线拟合算法分别提取投影面上边缘线，再通过直线拟合算法，提取中线直线，分别计算中心直线与Y轴和Z轴的夹角。利用此夹角，通过坐标变换，将小段截取点云转换至X轴平行方向。只有圆形隧道投影后的边缘线为对称结构，因此该方法不适应于非圆形隧道；(2)此方法根据设定的角度间隔进行断面点提取，不能够提取隧道特征断面点。由于此方法将提取的隧道断面线导入至CAD中，通过旋转射线的方法提取隧道断面点，再与设计点位进行比较，计算超欠挖。此类方法不能够计算矩形、马蹄形等隧道类型的特征点的超欠挖，而这些特征点的超欠挖计算又非常重要。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种适于多种隧道类型、检测效率高、测量精度满足超欠挖检测要求的隧道超欠挖检测方法。为此，本专利技术的技术方案如下：一种隧道超欠挖检测方法，包括以下步骤：S1、根据隧道线路的中线资料，设定断面厚度值和宽度值，进行隧道断面点云的自动分割；S2、将分割的断面点云投影至XOY平面上，采用凸包提取方法，进行断面点云轮廓线的自动提取，得到实测断面线；S3、利用隧道设计断面,计算其特征点至所述实测断面线的距离及方位，进行超欠挖的自动检测。上述的步骤S1中所述的隧道断面点云的自动分割包括以下步骤：1)线路横断面计算：利用隧道设计的中线资料，采用等间隔或在指定里程处，计算设计中线对应里程的平面坐标；根据线路设计的纵断面资料，计算所述中线对应里程的隧道中心高程值，进而获得断面点处隧道中心的三维坐标值，如需要计算断面处的轨道中心三维坐标值，则利用轨道与隧道中线设计高度值，将隧道中心高程值改正至轨道顶部高度上；利用相邻隧道断面点的平面坐标值，设定一定的断面线宽度，计算垂直于相邻断面点连线的横断面线，(计算获得的横断面线与相邻断面点连线的法线向量一致，该横断面线在线路中线的平面投影点位于线路断面点上)；2)隧道横断面点云的分割：利用步骤1)获得的所述横断面线，通过遍历所有激光点云，判断激光点至断面线的纵向距离以及至断面线的正交距离；根据设定的断面点云厚度与断面线的2个端点A和B进行计算，如果点Pi至断面线的纵向距离小于断面线AB的长度，且Pi至断面线的正交距离小于断面厚度，则Pi属于此断面点云，利用公式(1)完成隧道断面点云分割，式中：Pi：第i个激光点；Sectionk、Sectionother：第k个断面的点云、其它断面点云；LongPi、OrthoPi：第i个激光点至断面线的纵向距离、正交距离，单位为米；LengthAB：断面线AB的长度值，单位为米；Depth：断面点云厚度，单位为米。在上述的步骤2)中，首先对隧道点云构建KDtree树形结构；以断面线AB的中点O为圆心，进行半径R的快速搜索，再利用搜索的点云进行矩形分割，所述半径R根据公式(2)进行计算：LengthAB2+Sectiondepth2+δ2＝R2(2)式中：LengthAB：断面线AB的长度值，单位为米；Sectiondepth：断面厚度值，单位为米；δ：半径阈值，单位为米。上述步骤S2中所述的断面点云轮廓线的自动提取包括以下步骤：1)断面点云展开：首先，通过遍历断面点云，计算激光点至隧道横断面线的正交距离，此正交距离值作为点云投影后的X轴的坐标值，在计算正交距离时，忽略激光点和横断面线的高程值，仅计算其二维平面距离；其次，通过遍历断面点云，计算激光点与隧道设计中心或轨道面位置的高程差值，此高程差值作为点云投影后的Y轴坐标值；最后，将激光点云投影展开的正交距离和高程差值进行结合，得到断面点云在XOY平面上的投影坐标值；2)断面结构线提取：首先，依据断面点云投影后的X坐标值，将断面点进行排序；其次，遍历排序后的断面点云，如果此断面点与之前两个点的方向不是逆时针，则判断其为轮廓点，移除最后一个点，继续进行下一个点的判断；最后，将分别获取的断面轮廓线顶部和底部的轮廓线进行连接，得到隧道实测断面线，在步骤2)断面结构线提取中，可以根据邻域点的距离统计分析，设定判断准则进行“离群点”的判断，剔除孤立噪声点。还可以根据已知的隧道断面形状，选择相应的采样模型，进行随机采样一致性算法计算，对断面点云进行滤波处理。在上述的步骤S3中，进行超欠挖自动检测的方法包括以下步骤：1)超欠挖量值计算：将设计断面节点定义为断面线上的点；或指定步长，通过线性重采样设计断面线上的点获取；通过遍历设计断面的节点，判断实测断面线上距离此节点最近的线段，再通过计算节点至线段的垂直距离，进而获得超欠挖量值；隧道实测断面线为闭合多边形，如果设计断面线节点在隧道实测断面线外侧，由判定为欠挖，如果设计断面线节点在隧道实测断面线内侧，由判定为超挖。2)超欠挖面积统计：采用Vatticlippingalgorithm算法，将隧道实测断面线定义为被分割对象，将隧道设计断面线定义为分割多边形，利用隧道设计断面线进行分割，位于被分割对象内侧且位于分割多边形外侧的区域，即为超挖区域；反之，将隧道设计断面线定义为被分割对象，将隧道实测多边形定义为分割多边形，进行上述计算，即可获得欠挖区域；通过计算多边形面积，分别获得超挖面积与欠挖面积。本专利技术的有益效果如下：(1)利用三维激光点云数据进行隧道超欠挖检测，不仅效率高、而且精度高；(2)基于KD树形结构对离散点云进行组织管理，采用半径搜索与矩形分割算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光点云的隧道超欠挖检测方法，其特征在于,包括以下步骤：S1、根据隧道线路的中线资料，设定断面厚度值和宽度值，进行隧道断面点云的自动分割；S2、将分割的断面点云投影至XOY平面上，采用凸包提取方法，进行断面点云轮廓线的自动提取，得到实测断面线；S3、利用隧道设计断面,计算其特征点至所述实测断面线的距离及方位，进行超欠挖的自动检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光点云的隧道超欠挖检测方法，其特征在于,包括以下步骤：S1、根据隧道线路的中线资料，设定断面厚度值和宽度值，进行隧道断面点云的自动分割；S2、将分割的断面点云投影至XOY平面上，采用凸包提取方法，进行断面点云轮廓线的自动提取，得到实测断面线；S3、利用隧道设计断面,计算其特征点至所述实测断面线的距离及方位，进行超欠挖的自动检测。2.根据权利要求1所述的隧道超欠挖检测方法，其特征在于：步骤S1中所述的隧道断面点云的自动分割包括以下步骤：1)线路横断面计算：利用隧道设计的中线资料，采用等间隔或在指定里程处，计算设计中线对应里程的平面坐标；根据线路设计的纵断面资料，计算所述中线对应里程的隧道中心高程值，进而获得断面点处隧道中心的三维坐标值，如需要计算断面处的轨道中心三维坐标值，则利用轨道与隧道中线设计高度值，将隧道中心高程值改正至轨道顶部高度上；利用相邻隧道断面点的平面坐标值，设定一定的断面线宽度，计算垂直于相邻断面点连线的横断面线，计算获得的横断面线与相邻断面点连线的法线向量一致，该横断面线在线路中线的平面投影点位于线路断面点上；2)隧道横断面点云的分割：利用步骤1)获得的所述横断面线，通过遍历所有激光点云，判断激光点至断面线的纵向距离以及至断面线的正交距离；根据设定的断面点云厚度与断面线的2个端点A和B进行计算，如果点Pi至断面线的纵向距离小于断面线AB的长度，且Pi至断面线的正交距离小于断面厚度，则Pi属于此断面点云，利用公式(1)完成隧道断面点云分割，式中：Pi：第i个激光点；Sectionk、Sectionother：第k个断面的点云、其它断面点云；LongPi、OrthoPi：第i个激光点至断面线的纵向距离、正交距离，单位为米；LengthAB：断面线AB的长度值，单位为米；Depth：断面点云厚度，单位为米。3.根据权利要求2所述的隧道超欠挖检测方法，其特征在于：在步骤2)中，首先对隧道点云构建KDtree树形结构；以断面线AB的中点O为圆心，进行半径R的快速搜索，再利用搜索的点云进行矩形分割，所述半径R根据公式(2)进行计算：LengthAB2+Sectiondepth2+δ2＝R2(2)式中：LengthAB：断面线AB的长度值，单位为米；Sectiondepth：断面厚度值，单位为米；δ：半...

【专利技术属性】
技术研发人员：许磊，王长进，赵海，李亚辉，石德斌，谭兆，林勇威，康占龙，李群科，张志刚，
申请(专利权)人：铁道第三勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12