基于激光扫描的盾构隧道直径收敛和径向错台检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光扫描的盾构隧道直径收敛和径向错台检测方法，包括：S1，通过自移动激光扫描系统获取盾构隧道的三维点云数据；S2，将三维点云数据映射为二维灰度影像，并对所述二维灰度影像进行增强；S3，对增强后的灰度影像进行特征检测，从中分离出呈线段特征的管片缝隙；接缝提取；S4，基于迭代优化的椭圆拟合；S5，分块圆形拟合；S6，基于拟合半径、椭圆中心与横缝位置计算水平收敛直径；基于分块圆拟合方法完成径向错台检测。与现在技术相比，该检测方法精度高、作业效率高，能有效解决隧道腰部区域因遮挡而缺失数据的普遍现状；采用分块圆拟合方法检测的收敛直径与径向错台有效避免了模型误差。有效避免了模型误差。有效避免了模型误差。

【技术实现步骤摘要】
基于激光扫描的盾构隧道直径收敛和径向错台检测方法


[0001]本专利技术涉及地铁工程运维领域，具体涉及一种基于激光扫描的盾构隧道直径收敛和径向错台检测方法。

技术介绍

[0002]城市轨道交通工程是现代城市的主要交通方式之一，地铁是城市轨道交通的重要形式。目前中国正处于地铁建设的高潮期，截止2020年底，地铁占全部轨道交通工程建设的比例超过78％。隧道是地铁管线的重要组成部分。如何保证地铁隧道在其设计生命周期内能够安全、经济的运营已成为工程界最为关心的重要问题之一。随着服役时间的增加、地质环境的不断变化以及材料老化等因素作用，隧道结构不可避免的会产生一定的病害，尤其在中国上海、杭州、广州等软土地区城市情况更为显著。由于地铁隧道工程的隐蔽性、复杂性和不确定性，使得其结构健康状况对于公众生命安全和社会财产安全有着极为重要的影响。因此，在工程建设和运营阶段对隧道结构病害状况开展常态化检测已成为一项必不可少的重要任务。
[0003]盾构隧道目前是地铁工程地下结构的主要敷设形式，其断面形状可分为圆形、拱形、矩形和马蹄形四种，其中圆形结构衬砌拼装简单、易于更换且抗土层压力较好，因而应用最为广泛。圆形盾构隧道中的直径收敛和管片径向错台能够直观地反映外部压力分布和隧道形变状态，可有效指导隧道结构的养护维修，已成为运维管理部门最为关心的结构病害。隧道直径变形是指受周边环境诸因素影响，隧道周边应力场重新分布导致隧道主体结构发生收拢或形变的现象。径向错台指的是由于施工因素、周边环境变化、土层不均匀沉降等诸多因素影响，同一盾构环内相邻管片在径向接缝处产生的高度偏差。隧道直径收敛和管片径向错台直接改变了隧道工程的结构性能和管片受力特性，可诱发隧道渗漏水甚至管片开裂，也会影响隧道整体的抗震性能。
[0004]传统检测方法主要依赖人工巡检，但较其它类型的隧道不同，由于地铁隧道运营繁忙，要保证列车的正常运营，检测人员只能在有限的天窗时间内实时巡检，平均检测时间为2～2.5小时/天。在范围广、时间短、频次高的检测条件下，巡检人员往往仅能对病害多发区域进行重点检测，如此极易引起漏检，存在着较大的安全隐患。除此之外，由于隧道内部环境昏暗，经常出现照片模糊、记录不准确的情况，这导致了此类方法总体检测效率非常低。近年来出现的移动激光扫描(Mobile laser scanning，MLS)技术由于其非接触、高精度、高效率、不依赖光源等优势，在隧道结构病害检测任务中已成为众多机构和研究学者广泛推荐和采用的手段。众多学者提出了不同的自动检测方法，这些方法针对直径收敛进行检测，其主要思路为将盾构隧道断面形状视为椭圆进行拟合，进而获取断面几何参数。然而，值得注意的是，由于隧道周围外力分布的复杂性和大小的不确定性，隧道结构发生形变后的断面并不是标准的椭圆形状，若直接采用椭圆模型进行拟合，则会因为模型的不严密而产生较大的计算误差。一般情况下，拟合得到的椭圆参数是服从整体最优原则下的结果，在局部区域仍然与实际情况有较大偏差。尤其表现在计算水平直径时，上述情况会造成较
大的检测误差。
[0005]部分学者进一步使用局部二次曲线拟合来解决这个问题。其主要流程为使用椭圆拟合方法获得隧道断面圆心，分别截取圆心水平线上下一定范围的两侧断面点云后，拟合二次曲线模型参数，计算圆心水平线与两侧曲线的交点实现水平直径的检测。这种方法虽然能够在一定程度上避免模型误差带来的影响，但是运营期的隧道内壁通常会安装各种通讯线缆以及逃生通道，圆心水平线附近的隧道内壁通常会被遮挡导致点云数据缺失，致使该方法的适用性会受到环境的较大限制。此外，该方法与人工检测时选择的水平直径位置并不相同，因而无法直接进行数据的人工核验。同时也无法与运维部门既有的历史检测成果进行衔接。由此带来的检测成果差异，会对运维管理部门的成果管理和养护维修工作造成障碍。因此，快速、准确、高效的检测方法仍然有待进一步的探索。

技术实现思路

[0006]鉴于现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种快速、准确、高效的隧道断面收敛与径向错台的检测方法。
[0007]为此，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于激光扫描的盾构隧道直径收敛和径向错台检测方法，包括以下步骤：
[0009]S1，通过自移动激光扫描系统，在小车沿线路方向快速行进的同时，扫描仪在垂直隧道方向进行360
°
连续旋转测量，获取盾构隧道的三维点云数据；
[0010]S2，将所述三维点云数据映射为二维灰度影像，并对所述二维灰度影像进行增强，保证映射后的灰度影像具有高对比度的色调和明显的特征信息；
[0011]S3，接缝检测，包括以下步骤：
[0012]S31，采用Canny算法和霍夫变换方法对增强后的灰度影像进行特征检测，从中分离出呈线段特征的管片缝隙；
[0013]S32，接缝提取：基于盾构管片缝隙的长度和方向特征对步骤S31处理后的线段进行过滤，滤掉大部分明显的错误线段；然后采用统计方法获取最优接缝位置，通过遍历候选线段，逐线段统计并且选择经过像素点数量最多的直线，将其作为初始接缝；再依据盾构管片拼接的规律，进一步推算其它管片接缝，最终得到径向和环间接缝像素坐标；
[0014]S4，基于迭代优化的椭圆拟合：根据步骤S32得到的所述环间接缝像素坐标提取对应的隧道断面点云，并将其投影到二维平面；基于选权截尾最小二乘法，在拟合断面点云的同时抵抗异常数据的不良影响，获得椭圆拟合参数；将断面点云按照60度等分，在除底板部分外其余五部分内分别选择一点参与拟合，确保计算的椭圆参数δ0＝[A
0 B
0 C
0 D
0 E0]趋近最优值；采用间接平差模型计算椭圆参数平差值利用丹麦权函数调整观测值权重重新迭代计算，直至满足设定的迭代次数或小于设定的阈值时停止：
[0015][0016]式中P是第i次迭代的观测值权值；
[0017]P'是第i+1次迭代的观测值权值；
[0018]V是第i次的改正数；
[0019]σ为单位权中误差，由下式获得：
[0020][0021]获得椭圆参数后，遍历当前断面内的所有激光点，逐点计算与拟合椭圆的正交距离d，设定距离阈值ρ，若d＜ρ，则将该激光点归入隧道内壁点集合，否则为非内壁点，予以排除；
[0022]S5，分块圆形拟合，包括：将步骤S32得到的所述环间和径向接缝像素坐标分别转换为测线序号和入射角度，将管片分环和分块；基于半径阈值和模型迭代配准，将管片上的噪声点过滤；基于二维圆形拟合算法，获得拟合后的圆形半径值R和圆心坐标(O
x
,O
y
)。
[0023]S6，计算水平直径与径向错台：基于拟合半径、椭圆中心与横缝位置计算水平收敛直径；基于分块圆拟合的方法完成径向错台的检测。
[0024]其中，步骤S2包括以下子步骤：
[0025]S21，点云降维：
[0026]采用圆柱模型作为投影面，在单个断面内，将隧道断面几何中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光扫描的盾构隧道直径收敛和径向错台检测方法，包括以下步骤：S1，通过自移动激光扫描系统，在小车沿线路方向行进的同时，扫描仪在垂直隧道方向进行360
°
连续旋转测量，获取盾构隧道的三维点云数据；S2，将所述三维点云数据映射为二维灰度影像，并对所述二维灰度影像进行增强，保证映射后的灰度影像具有高对比度的色调和明显的特征信息；S3，接缝检测，包括以下步骤：S31，采用Canny算法和霍夫变换方法对增强后的灰度影像进行特征检测，从中分离出呈线段特征的管片缝隙；S32，接缝提取：基于盾构管片缝隙的长度和方向特征对步骤S31处理后的影像进行过滤，滤掉大部分明显的错误线段；然后采用统计方法获取最优接缝位置，通过遍历候选线段，逐线段统计并且选择经过像素点数量最多的直线，将其作为初始接缝；再依据盾构管片拼接的规律，进一步推算其它管片接缝，最终得到径向和环间接缝像素坐标；S4，基于迭代优化的椭圆拟合：根据步骤S32得到的所述环间接缝像素坐标提取对应的隧道断面点云，并将其投影到二维平面；基于选权截尾最小二乘法，在拟合断面点云的同时抵抗异常数据的不良影响，获得椭圆拟合参数；将断面点云按照60度等分，在除底板部分外其余五部分内分别选择一点参与拟合，确保计算的椭圆参数δ0＝[A
0 B
0 C
0 D
0 E0]趋近最优值；采用间接平差模型计算椭圆参数平差值利用丹麦权函数调整观测值权重，再重新迭代计算，直至满足设定的迭代次数或小于设定的阈值时停止：式中P是第i次迭代的观测点权值；P'是第i+1次迭代的观测点权值；V是第i次的改正数；σ为单位权中误差，由下式获得：获得椭圆参数后，遍历当前断面内的所有激光点，逐点计算与拟合椭圆的正交距离d，设定距离阈值ρ，若d＜ρ，则将该激光点归入隧道内壁点集合，否则为非内壁点，予以排除；S5，分块圆形拟合，包括：将步骤S32得到的所述环间和径向接缝像素坐标分别转换为测线序号和入射角度，将管片分环和分块；基于半径阈值和模型迭代配准，将管片上的噪声点过滤；基于二维圆形拟合算法，获得拟合后的圆形半径值R和圆心坐标(O
x
,O
y
)；S6，计算水平直径与径向错台：基于拟合半径、椭圆中心与横缝位置计算水平收敛直径；基于分块圆拟合的方法完成径向错台的检测。2.根据权利要求1所述的盾构隧道直径收敛和径向错台检测方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：S21，点云降维：
采用圆柱模型作为投影面，在单个断面内，将隧道断面几何中心作为视点，基于扫描角度将断面内激光点映射后的图像视作正射影像；按照一定间隔将点云进行分段投影，在一段点云中，采用椭圆拟合方法计算首部和尾部两个断面的概略圆心C1和C2，以两概略圆心的连线C1C2作为基准线，以隧道设计半径R作为投影半径构建圆柱投影面；然后将圆柱投影面铺展为二维平面，以扫描测线为单元进行逐测线投影，在图像上显示为按顺序依次排列的列像素，断面内各测点按照入射角度排列，其位置用纵坐标Y表示，测线位置用横坐标X表示，在确定圆柱投影圆心、半径以及投影正射影像的水平和竖直分辨率后，映射由下式计算得到：式中：X
Pixel
表示激光点P
i
在灰度图像中对应的X坐标；Y
Pixel
表示激光点P
i
在灰度图像中对应的Y坐标；l表示激光点P
i
所在测线距离起始测线之间的累计距离；H表示设置的水平分辨率；θ表示断面点云需要映射到图像上的角度范围值的1/2；R表示投影圆柱半径；V表示设置的纵向分辨率；α表示激...

【专利技术属性】
技术研发人员：许磊，巩健，王宏涛，张冠军，谭兆，牟春霖，豆孝磊，刘成，秦守鹏，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：