一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统及方法技术方案

本发明专利技术属于以采用光学方法为特征的计量设备技术领域，公开了一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统及方法，布置好量测控制点，进行外业操作从现场采集有效数据并完成储存；对所采集的点云数据分步骤进行处理，提取出靶标中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，进行点云配准得出点云数据坐标；根据隧道表面的点云数据坐标，提取出三个有代表性桩号处的隧道断面数据，进行断面拟合，提取出中心坐标，拟合出中线。本发明专利技术具有高精度、高效率、高分辨率、全自动数字化采集、数据量丰富的特点，测量型三维激光扫描仪，扫描时间短，获取数据量大，数据精度高，点云信息全面；根据客户实际需要，进行个性化定制数据服务。

A Tunnel Automation Monitoring System and Method Based on Three-dimensional Laser Scanning Technology

The invention belongs to the technical field of measuring equipment characterized by optical method, and discloses a tunnel automatic monitoring system and method based on three-dimensional laser scanning technology, which arranges measurement control points, collects effective data from field operation and completes storage, and carries out step-by-step processing of collected point cloud data. Reasonably, the three-dimensional coordinates of the target center in the scanner coordinate system are extracted, and the point cloud data coordinates are obtained by point cloud registration. According to the point cloud data coordinates of the tunnel surface, the tunnel section data at three representative pile numbers are extracted, the section fitting is carried out, the center coordinates are extracted, and the midline is fitted. The invention has the characteristics of high precision, high efficiency, high resolution, full automatic digital acquisition and abundant data. The measuring three-dimensional laser scanner has the advantages of short scanning time, large amount of data acquisition, high data accuracy and comprehensive point cloud information; and carries out personalized customized data service according to the actual needs of customers.

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统及方法
本专利技术属于以采用光学方法为特征的计量设备
，尤其涉及一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统及方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：对隧道围岩的稳定性进行监控及预报是确保隧道现场施工安全、提高施工信息化水平、优化围岩支护设计参数所必不可少的一项重要工作。目前国内隧道监控量测的主要监测方法仍然是采用精密水准仪、全站仪、智能收敛计等仪器设备进行测量，首先需要在隧道洞壁上及时布设监控测点(三角挂钩、反光片等)。传统监控量测方法只能逐点进行量测，无法实现全方位三维监测，在加上实际操作起来非常麻烦，效率极低，且误差不容易控制。从监测手段及预报方法的角度上来讲，传统的监控量测方法很难及时的监测到围岩的实时变形情况，抵抗现场施工环境干扰的能力较低(监测点易被破坏、测点的埋设时机受施工条件制约)，实际操作效率低下，误差离散性较大且不易控制；而且测点极易被施工器械扰动和破坏，导致无法及时监测到围岩开挖后到初期支护施作时围岩所产生的真实位移，导致测量出的收敛和沉降值偏小，使隧道施工偏于不安全；这样就导致现场量测数据本身的真实性大大降低，易对围岩的实际稳定性状态产生误判，造成的安全隐患将使现场隧道施工面临很大的风险。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)传统监控量测方法实际操作起来非常麻烦，效率极低，且误差不容易控制。(2)采用新奥法进行施工的隧道工程中测点极易被施工器械扰动和破坏，导致无法及时监测到围岩开挖后到初期支护施作时围岩所产生的真实位移，导致测量出的收敛和沉降值偏小，极易造成监测过程中对围岩稳定性评价产生错误判断，使隧道施工偏于不安全。解决上述技术问题的难度和意义：有鉴于上述原因，开发和应用信息化、智能化的隧道监控量测系统成为十分迫切的需求。伴随着信息化物联网智能技术的发展，数字化、信息化、智能化、自动化测量技术引领着隧道监控量测的发展趋势。激光扫描技术与传统监测技术相比较，三维激光扫描技术具有高精度、高效率、高分辨率、全自动数字化采集、数据量丰富等特点。目前，将三维激光扫描技术应用于隧道监控量测是未来发展的一个重要研究方向，国内外很多学者对该技术的探索和研究都取得了大量的成果，他们的研究成果表明：目前最高精度的三维激光扫描仪测量精度可达0.02mm，在很多领域的应用上已经可以替代全站仪的作用，能够基本满足隧道监控量测的要求。虽然三维激光扫描技术优势巨大，精度也在不断提高，技术也日臻成熟；但是其每秒能记录50万个点数据，采集的数据量是传统方法所采集数据量的成千上万倍，如何及时对这些大数据进行有效的分类处理并采用统计学方法进行分析是该技术所面临关键性问题。面对大数据的提取和处理，很多学者进行了研究，大多是情况下主要是提取部分断面的数据进行分析研究。但是单个断面的数据在不断的提取出来之后还是要进行综合的技术析，包括建立有效的变形数据分析模型、变形预测模型等来对围岩的稳定性进行评价。有鉴于此，本专利技术将基于三维激光扫描技术在隧道监控量测中的应用，采用B/S架构，并依托JAVA开发语言开发应用系统，对接三维激光扫描技术所采集的庞大数据，实现数据的智能化处理和分析，并通过系统软件对监测数据进行测试与应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统及方法。本专利技术是这样实现的，一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法，所述基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法包括：布置好量测控制点，进行外业操作从现场采集有效数据并完成储存；对所采集的点云数据分步骤进行处理，提取出靶标中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，进行点云配准得出点云数据坐标；根据隧道表面的点云数据坐标，提取出三个有代表性桩号处的隧道断面数据，进行断面拟合，提取出中心坐标，拟合出中线。进一步，所述对所采集的点云数据分步骤进行处理，提取出靶标中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，进行点云配准得出点云数据坐标具体包括：a)裁减掉粗差以及与目标无关的点云；b)利用公共点坐标将不同测站测量的点云数据转换到同一坐标系中，实现点云的拼接；c)建立拓扑关系；d)点云数据的精简；e)点云数据的去噪与光顺；f)孔洞的修补；g)点云数据的分割，对每一子区域进行单独重构；h)点云数据的三维建模。进一步，所述根据隧道表面的点云数据坐标，提取出三个有代表性桩号处的隧道断面数据，进行断面拟合，提取出中心坐标，拟合出中线进一步包括：a)扫描获取的点云数据导入到数据处理软件中，进行点云数据预处理操作；b)对点云数据进行过滤去噪，对靶标进行拟合，提取出靶标中心在扫描仪坐标系中的三维坐标；c)全站仪测得的控制靶标的坐标保存在TXT文件中，将点云数据转换到控制坐标系中；将配准后的点云数据坐标信息导出到TXT文件中，数据处理完成。本专利技术的另一目的在于提供一种实现所述基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法的基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统，所述基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统包括：工程管理模块、数据管理模块、回归分析模块、预测模型分析模块、报告生成模块、后台管理模块。进一步，所述后台管理模块包括：用户管理单元和系统管理单元。进一步，所述本基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测系统采用J2EE，分为数据层、服务层、业务层和展现层。本专利技术的另一目的在于提供一种实现所述基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法的计算机程序。本专利技术的另一目的在于提供一种实现所述基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法的信息数据处理终端。本专利技术的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：监测数据管理系统依托现有的内部网络，建设具有智能数据管理、大数据分析、分级应用管理、人员管理、查询于一体的数据监测平台，实现大批量的监测数据的集中存储和统一管理、访问的目标，同时满足可靠性、保密性和可用性要求以及数据合规性要求。利用专用的数据采集设备提供灵活、高效、安全的数据导入机制，满足对数据的智能管理及研发人员对数据的高速流畅的检索与浏览。监测数据管理系统在实现海量监测数据存储处理基础上，根据监测系统管理需要，将数据模型分析融入该系统，从而实现准确、直观的数据建模和数据分析等业务功能。本专利技术为了优化系统的开发、维护和使用功能，采用B/S结构即浏览器和服务器结构，只需要将应用部署在服务器上。客户只需通过使用计算机上安装的浏览器功能，就可以轻松通过浏览器与应用服务器进行交互；能够大幅度的简化了客户端计算机的载荷，降低了系统维护和升级的工作量和总体成本。本专利技术采用J2EE技术B/S架构，通过对前端采集系统、数据采集终端(硬件)、服务接口对接和后端管理系统四大部分的整合，完善系统的数据导入、数据分类、数据调用等功能，实现系统的实时协同配合。因此，该系统在技术架构上为技术人员提高了工作效率，提供了极大的便利，实现了监测数据的自动化有效存储和智能化管理。采用J2EE技术，主要分为数据层、服务层、业务层和展现层四个层次；监测数据的持久化存储时通过数据层使用数据库来实现的。数据库采用关系型数据库，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法，其特征在于，所述基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法包括：布置好量测控制点，进行外业操作从现场采集有效数据并完成储存；对所采集的点云数据分步骤进行处理，提取出靶标中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，进行点云配准得出点云数据坐标；根据隧道表面的点云数据坐标，提取出三个有代表性桩号处的隧道断面数据，进行断面拟合，提取出中心坐标，拟合出中线。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法，其特征在于，所述基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法包括：布置好量测控制点，进行外业操作从现场采集有效数据并完成储存；对所采集的点云数据分步骤进行处理，提取出靶标中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，进行点云配准得出点云数据坐标；根据隧道表面的点云数据坐标，提取出三个有代表性桩号处的隧道断面数据，进行断面拟合，提取出中心坐标，拟合出中线。2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法，其特征在于，所述对所采集的点云数据分步骤进行处理，提取出靶标中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，进行点云配准得出点云数据坐标具体包括：a)裁减掉粗差以及与目标无关的点云；b)利用公共点坐标将不同测站测量的点云数据转换到同一坐标系中，实现点云的拼接；c)建立拓扑关系；d)点云数据的精简；e)点云数据的去噪与光顺；f)孔洞的修补；g)点云数据的分割，对每一子区域进行单独重构；h)点云数据的三维建模。3.如权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的隧道自动化监测方法，其特征在于，所述根据隧道表面的点云数据坐标，提取出三个有代表性桩号处的隧道断面数据，进行断面拟合，提取出中心坐标，拟合出中线进一步包括：a)扫描获取的点云数据导入到数据处理软件中，进行点云数据预处理操作；b...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡达，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43