【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道变形监测，具体为基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法。
技术介绍
1、变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形形态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。
2、现有，在对隧道进行变形监测时通常利用三维扫描仪对隧道内部进行扫描，根据扫描结果对隧道变形位置进行确定，但无法对隧道的变形程度进行预测，以及无法直接对隧道的安全情况进行有效评估，只能通过人工根据扫描结果对隧道的安全情况进行评估，从而导致评估结果与实际情况存在一定的延迟，降低了隧道的安全性，以及无法对隧道变形位置之间的相关性进行分析，导致评估结果与实际情况部分，降低了对隧道的变形监测效果。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，所述方法包括：
3、s10：在无人机上搭设三维激光扫描仪，根据三维激光扫描仪在各运动位置采集的激光点云数据，对隧道的变形位置进行确定，三维激光扫描仪可360°旋转；
4、s20：基于s10中确定的隧道变形位置，对各变形位置的变形程度进行预测；
5、s30：对隧道的安全指数进行预测；
6、s40：根据预测的隧道安全指数，对隧道进行安全预警。
7、进一步的，所述s10
8、将得到的隧道三维模型与隧道标准三维模型进行匹配，若匹配不成功，则表示隧道在匹配位置发生变形，对变形位置进行标记处理，若匹配成功，则表示隧道在匹配位置未发生变形。
9、进一步的，所述s20包括：
10、s201：若标记位置位于隧道拱顶，则在隧道三维模型中对标记位置中的最低点位置进行确定，利用坐标距离公式对最低点位置相较于坐标原点的垂直距离进行计算，基于计算结果对标记位置受到的压力值进行计算，具体的计算公式为：
11、qi＝[24*e*(h′-hi)]/l3i；
12、其中，i＝1,2,…,n，表示位于隧道拱顶的标记位置对应的编号，n表示位于隧道拱顶的标记位置总数,e表示隧道拱顶的抗弯刚度值，hi表示编号为i的标记位置中的最低点位置相较于坐标原点的垂直距离值，h′表示隧道拱顶相较于坐标原点的标准垂直距离值，h′-hi表示编号为i的标记位置对应的隧道拱顶下沉量，li表示编号为i的标记位置的变形长度，qi表示编号为i的标记位置受到的压力值；
13、根据wi＝(qi-q′)/q′对标记位置的变形程度进行预测，其中，q′表示隧道拱顶能够承受的最大压力值，wi编号为i的标记位置的变形程度；
14、s202：若标记位置位于隧道拱腰，则根据隧道三维模型对标记位置的变形宽度进行确定，根据确定的变形宽度对标记位置的变形程度进行预测，具体的预测公式为：
15、ej＝{[(rj*k)/f]-s}/s；
16、其中，j＝1,2,…,m，表示位于隧道拱腰的标记位置对应的编号，m表示位于隧道拱腰的标记位置总数，rj表示编号为j的标记位置对应的最大裂缝宽度，f表示隧道中土工合成材料的宽度，k表示隧道土体的相对抗拔系数，s表示隧道拱腰能够承受的最大压力值，(rj*k)/f表示编号为j的标记位置受到的压力值，ej表示编号为j的标记位置的变形程度；
17、s203：若标记位置位于隧道拱脚，则在隧道三维模型中对标记位置中的最高点位置进行确定，利用坐标距离公式对最高点位置相较于坐标原点的垂直距离f1进行计算，对最高点位置在隧道标准三维模型中的相对位置进行确定，利用坐标距离公式对相对位置相较于坐标原点的垂直距离f2进行计算，根据dp＝[(f1-f2)-g]/g，其中，p＝1,2,…,q，表示位于隧道拱脚的标记位置对应的编号，q表示位于隧道拱脚的标记位置总数，g表示隧道拱脚允许的沉降量，dp表示编号为p的标记位置的变形程度。
18、进一步的，所述s30根据标记位置在隧道三维模型中的位置信息，对标记位置进行匹配，具体的匹配方法为：
19、在隧道三维模型中任选一点作为坐标原点构建三维空间坐标系，随机选取一个位于隧道顶部的标记位置，利用坐标距离计算公式对选取的标记位置和位于隧道拱腰的标记位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱腰的标记位置进行确定，利用坐标距离计算公式对确定的位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱脚的标记位置进行确定，基于确定结果，对位于隧道拱顶的标记位置、位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置进行匹配，直至位于隧道顶部的标记位置均被选取，匹配成功的标记位置不参与后续的匹配操作；
20、对匹配的位于隧道拱顶的标记位置、位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置的端点位置坐标进行获取，利用距离计算公式对两两端点之间的垂直距离值进行计算，以计算的垂直距离最大值对应的端点坐标进行确定，以两端点坐标所在隧道横截面之间的隧道区域作为一个划分区域，结合s20中预测的各标记位置的变形程度，对各划分区域的安全指数进行预测，具体的预测公式为：
21、
22、其中，编号为i、p、j的标记位置位于同一划分区域内，uij表示编号为i的标记位置与编号为j的标记位置之间的距离值，uij表示编号为i的标记位置与编号为j的标记位置之间的垂直距离值，vpj表示编号为p的标记位置与编号为j的标记位置之间的距离值，vpj编号为p的标记位置与编号为j的标记位置之间的垂直距离值，γ表示划分区域的安全指数，当1-[(uij-uij)/uij]≤0时，当1-[(uij-uij)/uij]＞0时，当1-[(vpj-vpj)/vpj]≤0时，当1-[(vpj-vpj)/vpj]＞0时，
23、利用对位于隧道拱顶的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性进行预测，利用对位于隧道拱脚的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性进行预测，由于隧道拱腰偏压会导致隧道拱顶和隧道拱脚下沉，因此根据计算的相关性可精确的对划分区域的安全指数进行计算。
24、进一步的，所述s40将s30中预测的安全指数与设定阈值进行比较，若γ≥设定阈值，则在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作，此时，若γ＜设定阈值，则无需在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述S10以隧道中心线上的任一点作为坐标原点构建绝对坐标系，构建的绝对坐标系与隧道横断面所在平面平行，利用搭设在无人机上的三维激光扫描仪对隧道内部进行扫描，得到隧道内部的激光点云数据，对得到的激光点云数据进行裁剪、去噪和重采样处理，根据无人机在各运动位置的坐标信息，通过坐标转换对无人机在各运动位置采集的处理后的激光点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道三维模型；
3.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述S20包括：
4.根据权利要求3所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述S30根据标记位置在隧道三维模型中的位置信息，对标记位置进行匹配，具体的匹配方法为：
5.根据权利要求4所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述S40将S30中预测的安全指数与设定阈值进行比较，若γ≥设定阈值，则在隧道
6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述系统包括隧道变形位置确定模块、变形程度预测模块、隧道安全指数计算模块和安全预警模块；
7.根据权利要求6所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述隧道变形位置确定模块包括隧道点云数据采集单元、隧道三维模型构建单元和隧道变形位置确定单元；
8.根据权利要求7所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述变形程度预测模块包括变形位置划分单元、第一预测单元、第二预测单元和第三预测单元；
9.根据权利要求8所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述隧道安全指数计算模块包括变形位置匹配单元、隧道区域划分单元和隧道安全指数计算单元；
10.根据权利要求9所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述安全预警模块对隧道安全指数计算单元传输的预测结果进行接收，将接收的预测结果与设定阈值进行比较，根据比较结果选择是否对隧道对应划分区域进行安全预警。
...【技术特征摘要】
1.基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述s10以隧道中心线上的任一点作为坐标原点构建绝对坐标系，构建的绝对坐标系与隧道横断面所在平面平行，利用搭设在无人机上的三维激光扫描仪对隧道内部进行扫描，得到隧道内部的激光点云数据，对得到的激光点云数据进行裁剪、去噪和重采样处理，根据无人机在各运动位置的坐标信息，通过坐标转换对无人机在各运动位置采集的处理后的激光点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道三维模型；
3.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述s20包括：
4.根据权利要求3所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述s30根据标记位置在隧道三维模型中的位置信息，对标记位置进行匹配，具体的匹配方法为：
5.根据权利要求4所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述s40将s30中预测的安全指数与设定阈值进行比较，若γ≥设定阈值，则在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作，此时，若γ＜设定阈值，则无需在隧道三维...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜颜，刘辰禹，陈卫奇，袁云凯，张小柳，
申请(专利权)人：深圳市水务工程检测有限公司，
类型：发明
国别省市：
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