一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法技术

本发明专利技术涉及地铁检测及测量方法技术领域，具体来说是一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，包括如下步骤：扫描获得隧道二维点云数据，并同步采集里程数据；将二维点云数据及里程数据相匹配，以获得隧道的三维点云数据；对隧道进行切片，并对切片进行预处理；进行椭圆拟合；本发明专利技术同现有技术相比，其优点在于：解决了现有技术在隧道管壁上布设监测点，利用全站仪、断面仪、收敛仪进行监测的方法费时费力的问题，实现了对隧道的整体监测和形变监测，通过本发明专利技术方法，对地铁隧道及结构进行检测和测量，能够全面的掌握隧道的整体情况，并留存数字档案，并能实现大范围的隧道收敛测量工作以及隧道轴线测量工作，有效增加了隧道监护测量的效率和准确性。

A 3D scanning method for subway detection and measurement

The present invention relates to the technical field of subway detection and measurement method, in particular to a method for 3D scanning subway detection and measurement, which comprises the following steps: scanning tunnel two-dimensional point cloud data, and mileage data synchronous acquisition; two-dimensional point cloud data and mileage data matching, 3D point cloud data to obtain the tunnel; biopsy of the tunnel, and the sections were pretreated; ellipse fitting; compared with the prior art, the utility model has the advantages of solving the existing technology in tunnel monitoring points on the wall, was monitored by using total station instrument, instrument, section convergence time-consuming problem, realize the whole monitoring and deformation the monitoring of the tunnel, the method for the detection and measurement of subway tunnel and tunnel structure, can fully grasp the overall situation, and the number of remaining Word files can achieve wide range of tunnel convergence measurement and tunnel axis measurement, effectively increasing the efficiency and accuracy of tunnel monitoring.

【技术实现步骤摘要】
一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法[
]本专利技术涉及地铁检测及测量方法
，具体来说是一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法。[
技术介绍
]在当今以计算机技术为依托的信息时代，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距、测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成特征目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。3D激光扫描技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。3D激光扫描技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。而隧道形变监测对隧道施工及运营中的安全具有重要意义，现有的监测方法主要是在隧道管壁上布设监测点，利用全站仪、断面仪、收敛仪等进行监测，但这些方法不仅费时费力，更重要的是难以实现对隧道的整体监测。因此，本申请采用3D扫描技术实现对地铁隧道及结构的检测和测量，全面的掌握隧道的整体情况，并留存数字档案，并实现大范围的隧道收敛测量工作以及隧道轴线测量工作等。[
技术实现思路
]本专利技术的目的在于解决现有技术的不足，提供一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，快速、准确、有效地获取隧道的三维信息，优化数据的处理方法，以得到可靠的隧道变形分析结果。为了实现上述目的，设计一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，包括如下步骤：a.扫描获得隧道二维点云数据，并同步采集里程数据；b.将二维点云数据及里程数据相匹配，以获得隧道的三维点云数据；c.对隧道进行切片，并对切片进行预处理；d.进行椭圆拟合；e.对隧道进行变形分析，并根据三维点云数据建立隧道平铺图。所述的步骤a包括用以检验里程数据的里程粗差探测算法，所述的粗差探测算法具体如下：设误差方程为：式中：V是n维观测值残差向量；A是n×t阶系数矩阵；x是t维参数估值向量；L是n维观测向量。参数最小二乘解为：可求得观测值残差向量V，及其对应的权逆阵为：QV＝P-1-A(ATA)-1ATQV的对角线元素qv1,qv2,...,qvn是观测值残差v1,v2,...,vn的权倒数。由于观测值独立，有其中，Ai是观测值A的第i行。观测值vi的方差为：标准化残差为：当大于给定的限值时即认定观测值Li存在粗差。所述的步骤a还包括里程粗差剔除算法，所述的里程粗差剔除算法具体如下：a1.根据扫描仪的扫描线数量，将所述的隧道顺序划分为若干环，判断起始里程sDis与终点里程eDis大小，若起始里程sDis>终点里程eDIs,表示从大环推扫至小环；若终点里程eDIs>起始里程sDis,表示从小环推扫至大环；a2.根据从大环至小环或从小环至大环的顺序，依次读取采集得到的里程信息；a3.根据里程数据的起点时间和终点时间，计算扫描总时间，并计算每根扫描线对应的起点时间和终点时间；a4.对每组数据都进行如下剔除鉴别处理:除了最后和第一个里程，将不在(0.0,max(sDis,eDis)+10)区间内里程删除；a41.用第一个里程后续的10个里程数据，使用粗差探测算法，估计第一个里程数值大小，判断第一个里程数据是否正确，若不正确，使用估算数据替换，最后一个数据作相同的数据处理；a42.除了最后一个里程和第一个里程，逐次对其它里程数据判断，判断依据如下：若上一个里程数据不为0.0，下一个里程数据也不为0.0，而该里程数据为0.0，则删除该里程数据；若上一个里程数据为0.0，下一个里程数据也为0.0，而该里程数据不为0.0，则删除该里程数据；a43.将所有测段数据拼接成为一个整体,从第二个历元到倒数第二个历元进行速度判断：与前一个历元或后一个历元计算速度，若速度在0-3m/s保存该历元，否则删除；a44.从第二个历元到倒数第二个历元按照从小到大判断，若历元不满足要求，则删除历元数据。所述的对隧道进行切片的方法具体如下：根据采集得到的隧道点云数据的区间长度，以及区间内对应的环数，计算每一环的长度，并将每一环均分为若干切片，并使切片的厚度趋近于10cm，计算每个切片的起点和终点，并依此将每个切片的起点和终点及相应的三维点云数据保存至每个切片的文件数据中。所述的对切片进行预处理的方法具体如下：将获得的每个切片的文件数据的数据量整除100kb，获得若干个100kb的文件数据，不足100kb的文件数据视为不存在，记切片文件包含N个100kb的文件数据，对每个切片文件依次进行处理为：若N>9,则将切片文件数据分别存取在其他N/2个文件下，按照顺序读取切片每行文件，并根据行号，依次保留到对应的文件下,即实现数据均匀分配,并删除切片原始文件数据；若N<1,直接将原始数据删除。所述的椭圆拟合方法包括对对测量点平面坐标的处理方法：设测量点拟合平面方程如下：XTe+d＝0式中X＝(xyh)T为任意点坐标，e＝(abc)T为平面法线单位矢量，d为原点至平面的距离；取e0＝(1.00.00.0)T，d0＝0.0，对所有断面点XiT＝(xiyihi)T列出误差方程：vi＝XiTe+d则各测量点至平面的距离ti为：ti＝XiTe+d所有ti应满足|ti|＜ε；得到各测量点在平面上的投影点坐标为：Xi-eti建立新的坐标系oo_xxyyhh，原点oo为所有投影点坐标的均值(xmymhm)T，hh为平面法线方向，xx在平面内，与h轴共面，故：ehh＝(abc)T若c＝0，则，exx＝(001)T；若c≠0，则平面与h轴的交点为exx为以下向量的单位化：yy与另外两轴正交：eyy＝exx×ehh因此，平面坐标与测量坐标的关系为：式中的：由平面坐标系中坐标求测量坐标系中坐标的转换关系为：本专利技术同现有技术相比，其优点在于：解决了现有技术在隧道管壁上布设监测点，利用全站仪、断面仪、收敛仪进行监测的方法费时费力的问题，并且实现了对隧道的整体监测和形变监测，通过本专利技术方法，对地铁隧道及结构进行检测和测量，能够全面的掌握隧道的整体情况，并留存数字档案，并能实现大范围的隧道收敛测量工作以及隧道轴线测量工作，采用椭圆拟合方法去除了数据中的误差值，易于对隧道情况进行更好的监测，有效增加了隧道监护测量的效率和准确性。[附图说明]图1是一实施例中本专利技术方法的流程示意图；图2是一实施例中本专利技术方法中测量点的平面坐标的处理示意图；图3是一实施例中本专利技术特征根法椭圆拟合的示意图；图4是一实施例中本专利技术检测管片的变形参数的示意图；图5是一实施例中本专利技术方法建立隧道平铺图的示意图。[具体实施方式]下面结合附图对本专利技术作进一步说明，这种方法的原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术包括处理器、存储介质和数据采集装置，所述的数据采集装置包括移动小车、3D扫描仪和里程仪，在移动小车上设有3D扫描仪和里程仪，并使移动小车沿地铁轨道向前行进，通过扫描仪和里程仪同步进行数据采集获得相应的二维点云数据和里程数据，将存储于存储介质中，由处理器对数据进行处理和分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：a.扫描获得隧道二维点云数据，并同步采集里程数据；b.将二维点云数据及里程数据相匹配，以获得隧道的三维点云数据；c.对隧道进行切片，并对切片进行预处理；d.进行椭圆拟合；e.对隧道进行变形分析，并根据三维点云数据建立隧道平铺图。

【技术特征摘要】
1.一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：a.扫描获得隧道二维点云数据，并同步采集里程数据；b.将二维点云数据及里程数据相匹配，以获得隧道的三维点云数据；c.对隧道进行切片，并对切片进行预处理；d.进行椭圆拟合；e.对隧道进行变形分析，并根据三维点云数据建立隧道平铺图。2.如权利要求1所述的一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，其特征在于所述的步骤a包括用以检验里程数据的里程粗差探测算法，所述的粗差探测算法具体如下：设误差方程为：式中：V是n维观测值残差向量；A是n×t阶系数矩阵；x是t维参数估值向量；L是n维观测向量，可得最小二乘解为：可求得观测值残差向量V，及其对应的权逆阵为：QV＝P-1-A(ATA)-1ATQV的对角线元素qv1,qv2,...,qvn是观测值残差v1,v2,...,vn的权倒数，由于观测值独立，有qvi＝1-Ai(ATA)-1AiT其中，Ai是观测值系数矩阵A的第i行，观测值残差vi的方差为：标准化残差为：当大于给定的限值时即认定观测值Li存在粗差。3.如权利要求1或2所述的一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，其特征在于所述的步骤a还包括里程粗差剔除方法，所述的里程粗差剔除方法具体如下：a1.根据扫描仪的扫描线数量，将所述的隧道顺序划分为若干环，判断起始里程sDis与终点里程eDis大小，若起始里程sDis>终点里程eDIs,表示从大环推扫至小环；若终点里程eDIs>起始里程sDis,表示从小环推扫至大环；a2.根据从大环至小环或从小环至大环的顺序，依次读取采集得到的里程信息并匹配每环的起点里程和终点里程；a3.根据里程数据的起点时间和终点时间，计算扫描总时间，并计算每根扫描线对应的起点时间和终点时间；a4.对每组数据都进行如下剔除鉴别处理:除了最后和第一个里程，将不在(0.0,max(sDis,eDis)+10)区间内的里程数据删除；a41.用第一个里程后续的10个里程数据，使用粗差探测算法，估计第一个里程数值大小，判断第一个里程数据是否正确，若不正确，使用估算数据替换，最后一个数据作相同的数据处理；a42.除了最后一个里程和第一个里程，逐次对其它里程数据判断，判断依据如下：若上一个里程数据不为0.0，下一个里程数据也不为0.0，而该里程数据为0.0，则删除该里程数据；若上一个里程数据为0.0，下一个里程数据也为0.0，而该里程数据不为0.0，则删除该里程数据；a43.将所有测段数据拼接成为一个整体,从第二个历元到倒数第二个历元进行速度判断：与前一个历元或后一个历元计算速度，若速度在0-3m/s保存该历元，否则删除；a44.从第二个历元到倒数第二个历元按照从小到大判断，若历元不满足要求，则删除历元数据。4.如权利要求1所述的一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，其特征在于所述的对隧道进行切片的方法具体如下：根据采集得到的隧道点云数据的区间长度，以及区间内对应的环数，计算每一环的长度，并将每一环均分为若干切片，并使切片的厚度趋近于10cm，计算每个切片的起点和终点，并依此将每个切片的起点和终点及相应的三维点云数据保存至每个切片的文件数据中。5.如权利要求1所述的一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，其特征在于所述的对切片进行预处理的方法具体如下：将获得的每个切片的文件数据的数据量整除100kb，获得若干个100kb的文件数据，不足100kb的文件数据视为不存在，记切片文件包含N个100kb的文件数据，对每个切片文件依次进行处理为：若N>9,则将切片文件数据分别存取在其他N/2个文件下，按照顺序读取切片每行文件，并根据行号，依次保留到对应的文件下,即实现数据均匀分配,并删除切片原始文件数据；若N<1,直接将原始数据删除。6.如权利要求1所述的一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，其特征在于所述的椭圆拟合方法包括对测量点平面坐标的处理方法：设测量点拟合平面方程如下：XTe+d＝0式中X＝(xyh)T为任意点坐标，e＝(abc)T为平面法线单位矢量，d为原点至平面的距离；取e0＝(1.00.00.0)T，d0＝0.0，对所有断面点XiT＝(xiyihi)T列出误差方程：vi＝XiTe+d则各测量点至平面的距离ti为：ti＝XiTe+d所有ti应满足|ti|＜ε；得到各测量点在平面上的投影点坐标为：Xi-eti建立新的坐标系oo_xxyyhh，原点oo为所有投影点坐标的均值(xmymhm)T，hh为平面法线方向，xx在平面内，与h轴共面，故：ehh＝(abc)T若c＝0，则，exx＝(001)T；若c≠0，则平面与h轴的交点为exx为以下向量的单位化：yy与另外两轴正交：eyy＝exx×ehh因此，平面坐标与测量坐标的关系为：式中的：由平面坐标系中坐标求测量坐标系中坐标的转换关系为：7.如权利要求6所述的一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法，其特征在于在得到测量坐标系中坐标后进行椭圆拟合，所述的椭圆拟合方法还包括特征根法椭圆拟合，采用平面坐标系内的平面坐标X＝(xxyy)T，拟合椭圆；定义椭圆坐标系Oe-x_ey_e，原点Oe为椭圆中心，x_e为长半轴方向，y_e为短半轴方向，y_e方向处在x_e顺时针转过90°的方向；椭圆在椭圆坐标系中的方程为：XeTΛXe＝1式中为椭圆坐标，a、b为椭圆的长短半轴；测量坐标X与椭圆坐标Xe的转换关系表示为：Xe＝X0+R(α)X式中为平移量，为旋转矩阵；认为各测量点坐标不满足椭圆方程的部分为残差，列出误差方程：vi＝XeiTΛXei-1将Xe＝X0+R(α)X代入误差方程，vi＝(X0+R(α)Xi)TΛ(X0+R(α)Xi)-1vi＝X0TΛX0+2XiTRT(α)ΛX0+XiTRT(α)ΛR(α)Xi-1线形化得：其中各项导数和常数项为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李维涛，黄帆，吴廷，
申请(专利权)人：上海市建筑科学研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31