一种隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法技术

本发明专利技术涉及一种隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法，包括以下步骤：布设标记点；采集点云数据，建立点云切片索引；生成隧道原始影像；利用分段线性拉伸算法对图像进行分段线性拉伸处理；识别反光片中心；计算弦线长度；本发明专利技术弥补了通过拟合断面中心或基于正射影像监测的缺点，影像生成速度快，适用于矿山法和盾构法施工的断面，对断面形状无限制，不受隧道形状和施工方法的限制，适用于任意类型隧道的弦线计算，且计算精度高，极大地方便了隧道变形监测的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法
本专利技术涉及点云数据处理
，具体地说是一种隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法。
技术介绍
2019年，中国内地累计有40个城市开通城轨交通运营线路6730.27公里，2019年中国内地新增温州、济南、常州、徐州、呼和浩特5个城轨交通运营城市；另有27个城市有新增线路(段)投运，新增运营线路长度968.77公里，再创历史新高。随着城市地铁和高速铁路的快速发展，隧道施工和运营期间的安全不容小觑，定期对隧道内病害的监测必不可少。特别是在运营期间的隧道监测，往往只有三到四个小时的天窗期能够实施作业，因此，能够快速、高效获取隧道内信息，并对隧道内病害进行监测的设备变得尤为重要。现阶段地铁隧道的挖掘，多采用盾构机和顶管系统进行施工，由于施工后土层压力的改变，在管片拼装完成后，受土层压力的影响，隧道仍会随着时间产生形变或沉降。因此，对隧道断面进行实时的和定期的监测和分析，是保证施工安全，防止事故发生的手段，也是衡量工程质量的重要指标。传统方法如全站仪水准仪等，测量人员投入大且隧道内环境复杂，对中、整平、后视等带来困难，效率低下，误差较大；站式三维激光扫描需设置靶标，相邻站之间需进行影像拼接，单站扫描时间较长，数据冗余。现阶段许多学者也围绕三维激光扫描对隧道变形进行研究，其主要思想是通过拟合提取断面中心或基于隧道正射影像进行隧道断面拟合与病害检测，这种算法虽然经过理论与实践的验证，具有较高的准确性，但是随之带来的弊端在于影像生成速度慢，只能在盾构隧道中进行数据解算，而且不能对隧道管片结构变化进行精准的分析，只能做粗略的判断，有一定的局限性。如中国专利申请CN108253925A公开了一种基于点云剖面的隧道变形监测方法，通过激光扫描仪获取隧道不同期的点云数据，对各期的数据进行去噪、拼接，并对不同时期数据进行配准，然后按照一定的间距提取剖面点云数据，在此基础上利用点到模型的方法对隧道进行变形监测。中国专利申请CN108917712A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。上述专利对隧道结构变化进行分析的精准性有限，只能做到大体粗略的判断，应用具有一定的局限性。因此，如何提供一种适合任意类型的隧道监测方法，以解决现有技术中存在的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法，以弥补通过拟合断面中心或基于正射影像监测的缺点，提高影像生成速度，适用于矿山法和盾构法施工的断面，对断面形状无限制。为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。一种隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法，包括以下步骤：S1、布设标记点；S2、采集点云数据，建立点云切片索引；S3、生成隧道原始影像；S4、利用分段线性拉伸算法对图像进行分段线性拉伸处理；S5、识别反光片中心；S6、计算弦线长度。优选地，所述步骤S1包括以下步骤：101、将全站仪架设在轨道面正上方，保证对中位置也在轨道面上，在距全站仪20m处，选择轨道面上与全站仪对中位置相同的点做标记；102、将全站仪照准轨面标记点处，此时将全站仪置位零度，将全站仪水平旋转90°，旋紧水平制动旋钮，使得全站仪只能在断面内转动；103、利用步骤102的方法，在同一断面内不同的管片上选择五个点，粘贴反光片。优选地，所述步骤S2中建立点云切片索引，包括以下步骤：201、进行数据预处理，并将las格式的点云数据转换为XYZ格式；202、扫描仪激光头顺时针旋转并按照顺时针的顺序将点的坐标依次存储，在建立坐标系时设Y方向为扫描仪前进方向，那么点云的X,Z坐标就可以构成一个平面，并且该平面始终垂直于前进方向，垂直于Y方向的平面就可认为是点云的切片，每一个Y坐标对应一个切片；203、按照存储顺序将每个切片进行编号，建立扫面线索引；204、将切片内的点按数据存储顺序编号，建立切片内点的索引。优选地，所述步骤S3包括以下步骤：301、将点云激光强度信息转化为灰度值，公式如下：式中，Imax为本段扫描线激光强度最大值，Imin为最小值，In为当前强度，Gn为灰度值，B为增亮系数；302、建立图像矩阵；303、将灰度值按照建立的索引写入图像矩阵，切片索引值与矩阵的列号相对应，切片内索引值与矩阵的行号相对应。优选地，所述步骤S4中分段线性拉伸算法的分段线性拉伸公式如下：式中，f(x)为输出的分段函数，x轴代表输入的灰度，y轴代表输出灰度，设start为分段函数第一个分段点横坐标，同样的，end为为分段函数第二个分段点横坐标。优选地，所述步骤S5包括以下步骤：501、将原始影像进行二值化处理，由于反光片采用黑白相间的设计，黑色部分在图像二值化后呈现为黑色正方形；502、利用canny边缘检测算法识别正方形轮廓；503、利用霍夫直线检测，求出轮廓线直线表达式，从而计算得出反光片中心坐标。优选地，所述步骤S6包括以下步骤：601、通过图片上反光片中点像素位置行列号反向索引到该点在点云中的序号，读取该点的坐标值，计算同一断面内两点间的欧氏距离；602、以反光片中点像素为中心，遍历周围3×3像素，设标记点为(Xi,Yi)，周围点分别为(Xi-1,Yi-1)，(Xi,Yi-1)，(Xi+1,Yi-1)，(Xi-1,Yi)，(Xi+1,Yi)，(Xi+1,Yi+1)，(Xi,Yi+1)，(Xi+1,Yi+1)；603、计算左右相邻的两个断面像素的弦线长度，取其算数平均值。优选地，所述步骤601中欧式距离的计算公式：式中，(X0,Y0),(Xi,Yi)均为标记点坐标。优选地，所述步骤603每个断面计算九段距离，累计计算距离27段，标记为d1,d2…d27，计算27组距离的算数平均值：标准差为：当时，di距离为粗差，将其剔除，最后将保留的距离求算术平均值为最终弦线距离。本专利技术所获得的有益技术效果：1)本专利技术解决了现有技术所存在的缺陷，本专利技术弥补了通过拟合断面中心或基于正射影像监测的缺点，影像生成速度快，适用于矿山法和盾构法施工的断面，对断面形状无限制，不受隧道形状和施工方法的限制，适用于任意类型隧道的弦线计算，且计算精度高，极大地方便了隧道变形监测的需求；2)本专利技术首先在隧道内壁同一断面管片上布设反光片，通过移动隧道检测装置采集的点云数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、布设标记点；/nS2、采集点云数据，建立点云切片索引；/nS3、生成隧道原始影像；/nS4、利用分段线性拉伸算法对图像进行分段线性拉伸处理；/nS5、识别反光片中心；/nS6、计算弦线长度。/n

【技术特征摘要】
1.一种隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、布设标记点；
S2、采集点云数据，建立点云切片索引；
S3、生成隧道原始影像；
S4、利用分段线性拉伸算法对图像进行分段线性拉伸处理；
S5、识别反光片中心；
S6、计算弦线长度。


2.根据权利要求1所述的隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
101、将全站仪架设在轨道面正上方，保证对中位置也在轨道面上，在距全站仪20m处，选择轨道面上与全站仪对中位置相同的点做标记；
102、将全站仪照准轨面标记点处，此时将全站仪置位零度，将全站仪水平旋转90°，旋紧水平制动旋钮，使得全站仪只能在断面内转动；
103、利用步骤102的方法，在同一断面内不同的管片上选择五个点，粘贴反光片。


3.根据权利要求1所述的隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法，其特征在于，所述步骤S2中建立点云切片索引，包括以下步骤：
201、进行数据预处理，并将las格式的点云数据转换为XYZ格式；
202、扫描仪激光头顺时针旋转并按照顺时针的顺序将点的坐标依次存储，在建立坐标系时设Y方向为扫描仪前进方向，那么点云的X,Z坐标就可以构成一个平面，并且该平面始终垂直于前进方向，垂直于Y方向的平面就可认为是点云的切片，每一个Y坐标对应一个切片；
203、按照存储顺序将每个切片进行编号，建立扫面线索引；
204、将切片内的点按数据存储顺序编号，建立切片内点的索引。


4.根据权利要求1所述的隧道内基于原始影像的任意类型隧道四测线计算方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
301、将点云激光强度信息转化为灰度值，公式如下：



式中，Imax为本段扫描线激光强度最大值，Imin为最小值，In为当前强度，Gn为灰度值，B为增亮系数；
302、建立图像矩阵；
303、将灰度值按照建立的索引写入图像矩阵，切片索引值与矩阵的列号相对应，切片内索引值与矩阵的行号相对应。


5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海丽，钟若飞，岳泽宇，孙健，韩玉龙，张宇，李钰琦，刘爽，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11