CN107830812B - 一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地铁隧道监测领域,尤其是一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其方法步骤包括：材质分析；隧道形变反射片处理；点云数据处理；反射片编码扫描；实验验证；反射片编码扫描包括二进制hash码，二进制hash码包括二进制hash码的正向编译和二进制hash码的逆向识别。本发明有益效果：本发明用点阵扫描二进制hash码这一方法，通过总点云数据反射强度扫描筛选有效反射点识别，有效反射点云平面拟合及平面投影，点云坐标转换，对点云数据进行一定处理，并通过特定的编码规则，对点云信息中包含的编码进行转码，以得到沉降观测点所在的城市，隧道号，点号等信息，实现对隧道形变反射片的自动识别及反向设计。
Description
技术领域
本发明涉及地铁隧道监测领域,尤其是一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法。
背景技术
从20世纪中期开始，世界范围内城市化进程逐步增加，世界各国城市人口不断上升，经济飞速发展。城市化进程加快的同时，也带来的人口的激增和车辆数量的大幅增长。而城市道路的有限性则带来了人口超饱和、交通阻塞、事故频发等一系列问题。立体交通成为了当前形势下，各国解决前文一系列的问题的首选方案。大城市的交通格局转化为了地下铁道为主，多种轨道交通并存地交通新格局。地下铁道以其小噪音、低能耗、轻污染、高速度、大运量等优势占据了城市交通新格局的主导地位。1863年英国伦敦建成世界上第一条铁路至今，已有30多个国家和地区的80多个城市修建了五千公里的的地铁线路。伦敦、东京、纽约、莫斯科等国际金融、经济中心更是形成了四通八达的地铁线网，其运输量甚至达到了城市总交通运输量的一半以上。
在这一背景下，隧道安全成为了城市交通安全的重要组成部分。隧道病害控制是隧道安全的主体之一。目前常见的隧道病害包括隧道纵向沉降、接头损坏、管片错台等。对隧道病害进行有效的监测和检验，对于隧道安全具有非常重要的显示意义。而绝大多数的隧道病害，都和隧道沉降有着直接或间接的关系。
随着现代城市的快速发展，高密度建筑和高层建筑所集体组成的静载荷，以及立体交通网络所形成的动载荷，在很大程度上影响着局部的地面沉降。上海、南京、北京等城市，轨道交通基础建设较早，现在已经出现了越来越多的隧道病害。而隧道病害在目前的科技水平下，有着不易修复的特点，设计的寿命期间内若是出现隧道病害，则将持续影响交通运输安全。故而隧道病害发展机理成为了当前亟待解决的问题之一。
隧道病害类型
近年来，国内外隧道性能的研究不在少数，其方法有简化解析几何分析、模型实验、案例分析、数值分析等。各个研究的关注重点不同，选择的研究对象也各有不同，故而研究内内容也不尽相同。
综合各类文献，隧道病害大致分为以下几类
(1)管片错位：
管片错位现象包括隧道的管片环之间接缝张开、高差错台，环内接缝张开、高差错台，以及错齿现象。这一隧道病害的成因主要有断面变形导致封顶块张开，不均匀沉降引起的纵向变形，断面收敛变形，不均匀沉降引起纵向变形，不均匀沉降引起垂直变形，拼装误差，外载荷变化等。管片错台会影响隧道净空，带来防水隐患，也可能引起管片结构开裂破坏。
(2)渗漏水
渗漏水现象包括接头渗漏水，裂缝渗漏水，注浆孔渗漏水。接头渗漏水的成因主要是接触面压力不够，封蜡错动，封垫失效，而注浆孔渗漏水的成因主要是防水胶塞失效，孔位尺寸偏差。渗漏水是一种最直观的隧道病害。渗漏水情况在一定程度上，反映着隧道的设计水平和施工质量。
(3)管片裂缝
管片裂缝的成因相对较为复杂，按裂缝方式大致分为环向裂缝，边角裂缝，纵向裂缝以及斜向裂缝。其成因概括起来，包括不均匀沉降，施工影响，材质劣化和突发性灾害及荷载这几大类。具体细分为地层不均匀，荷载不集中，边角应力集中，断面变形张弯裂缝，断面变形剪切裂缝，注浆压力过大，温度应力，干缩应力，渗漏水侵蚀，地震，碱-骨料反应等。总体而言，各类变形引起的内应力变化和外载荷等直接应力是造成管片裂缝的主要原因。
(4)衬砌材质劣化
衬砌材质劣化一般包括衬砌材质强度降低和衬砌材质厚度降低。衬砌材质强度降低的主要因素是应力在和影响以及化学寝室，包括温度应力，干缩应力，渗漏水侵蚀，有害气体侵蚀等。而衬砌材质厚度降低的主要原因包括衬砌材质表面侵蚀骨料流失以及边角出的应力集中导致掉块。
(5)断面变形
断面变形有垂直收敛和水平收敛两种形式。注浆压力过大会导致垂直收敛，封顶块接头失效则会导致水平收敛。还有一大类因素是包括不均匀沉降、突发性灾害以及荷载变化在内的外载荷作用。这两类收敛有着相似却又不同的产生过程，但却具有同样的破坏性以及危险性。
(6)沉降及不均匀沉降
本文所述的沉降若无特殊说明，所指的均为地基沉降。而地基沉降是指地基土层在附加应力作用下压密而引起的地基表面下沉。一般性沉降的成因有固结沉降，冻融沉降等，而不均匀沉降的成因较为复杂，出现的也更多。土性不均匀，地震，载荷不均匀都有可能造成不均与沉降。
隧道沉降监测自动化的重要性：隧道沉降是一种相对较为复杂的隧道病害。在拥有者相对较为复杂的成因的同时，本身就作为隧道病害的隧道沉降，还会间接的引起其他的次生病害。一般性沉降，即均匀沉降，是由固结沉降，次固结沉降，冻融沉降等引起的。不均匀沉降的直接因素包括载荷不均匀，土性不均匀以及材质劣化导致强度削弱几大类。上海、广州、天津等我国地下轨道交通较为发达的沿海城市，在城市快速轨道交通(RTS)分担大量交通压力的同时，也饱受软土地基在运营过程中会发生大量沉降现象的困扰。以上海地铁1号线为例，1995年4月该线路正式投入运营以来，最大累计沉降已达20cm[郑]，年度最大差异沉降量可达3cm。
隧道沉降控制及检测的重要性不仅在与隧道沉降本身。沉降发生的同时，几乎是一定会产生隧道内支撑结构等的应力变化。而隧道内支撑结构等的应力变化则会再次造成次生灾害。简单举个例子，隧道沉降会使隧道产生弯曲变形，管片错台的可能会基于此形成，并导致渗漏加剧，甚至产生漏泥[郑]。上文简述的各类隧道病害的成因之中，绝大多数都包含着沉降或者应力变化。
随着社会的不断进步，物质文明的发展以及建筑设计和建筑施工技术的飞速发展，为了解决土地资源的减少和人口压力增大之间愈发明显的矛盾，高层建(构)筑物和超高层建(构)筑物越来越多。低层建筑物的地基较浅，自重也较小，但其施工过程依然会对周边土壤内的受力结构造成一定影响。高层建筑物和超高层建筑物更是对建筑施工技术的极大考验。其为周边土层带来的应力变化也是不可忽略的。为了保障隧道的正常使用，安全运营以及正常使用寿命，长期高精度的隧道沉降周期性监测变得不可或缺。使用人力进行这一长期沉降监测，有着成本高，误差大等缺点
隧道是现代常见的地下工程建筑物。在当代立体化城市中，隧道交通在城市交通运输中有着越来越重要的地位。以地铁为代表的隧道交通对于隧道平顺度有着相当高的要求。同时，隧道的沉降，尤其是不均匀沉降会引发隧道的管片错台，接头损坏，管片裂缝及渗漏水等多种结构病害。为了防止安全隐患，控制风险，隧道的沉降监测在当今环境下也显得尤为重要。而隧道沉降监测在实际测量时，面临着空间狭小无法使用大型监测设备，观测环境昏暗等困难。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，结合材质分析，进行隧道形变反射片的外观和布局设计。提出利用点阵扫描二进制hash码这一方法，通过总点云数据反射强度扫描筛选有效反射点识别。
一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其方法步骤包括：(1)材质分析；(2)隧道形变反射片处理；(3)点云数据处理；(4)反射片编码扫描；(5)实验验证；所述点云数据处理进一步包括有效点发射识别、点云平面拟合及投影、点坐标转换和特征码扫描识别，反射片编码扫描包括二进制hash码，所述二进制hash码包括二进制hash码的正向编译和二进制hash码的逆向识别。
优选地，所述有效点发射识别首先我们需要对反射材质做一定区分，隧道没墙面材质一般为水泥砂浆抹面，其反射率系数为0.30-0.35左右，这是一个比较低的数值，而一般反射片的反射系数都在0.9以上；两者具有较高的区分度，有效点，即非墙体的反射片或者其他2级反射材料上的扫描点，通过对有效点的扫描，可以识别出本反射片所特有的编码信息，在扫描得到的点云数据中，还会包含反射强度数值。
优选地，所述点云的平面拟合及投影采用平面拟合方程，其中平面拟合方程表达方式为：
Ax+By+Cz+D＝0,(c≠0)
记：
则：z＝a0x+a1y+a2，其中a0a1a2为拟合平面系数
对于点云之中的n个点：
(xi,yi,zi),i＝0,1,…,n-1
要用点(xi,yi,zi),i＝0,1,…,n-1计算拟合上述平面方程，则使方差S：
最小。
为了使S最小，应满足：k＝0,1,2
即
解上述方程组，即可得到：a0，a1，a2
即：z＝a0x+a1y+a2
采用样例数据，运用最小二乘法进行平面拟合。
优选地，进一步的可以得到拟合平面的法向量(A，B，C)，以法向量作为直线的方向向量，做过点(xi,yi,zi),i的直线，直线方程为：
将其与平面方程(3.1)联立，求解即可得到投影点坐标。
优选地，点云已经散落在拟合平面上，该平面的法向量已经确定，但是由于尚未确定反射片的相邻直角边方向，所以需要在三维坐标转换之中，插入一个扫描基准坐标系的判定，然后继续进行坐标转换。
设点云数组中的任意一点的坐标位(tx,ty,tz)，以该点位坐标中心，将其平移到(0,0,0)为原点的坐标系，则有平移方程为：
其中，x′ y′ z′是转化后的坐标，x y z是经过平面拟合投影之后的坐标，
将其专化为矩阵形式为坐标运算矩阵(x y z 1)乘以平移矩阵T：
由于进行的是等比例转换，故而其转换公式为：
坐标转换则是分为3部分进行的，由于3个过程中的xyz是可轮换的，本文仅以绕z轴为例进行解释。
优选地，以三个坐标轴x，y，z作为分别最为旋转轴，则点实际上是在垂直二维坐标系中进行二维变换，运用二维旋转公式即可推出三维旋转变换矩阵。规定在右手坐标系中，物体的旋转的正方向是右手螺旋方向，即从该正半轴看向原点是逆时针方向，α，β，γ分别为x，y，z轴的旋转角。
绕轴旋转时，有：
其矩阵式为：
利用单位坐标向量构造坐标旋转矩阵R：
其中的u′x1，u′x2，u′x3等为点云数据坐标系中投影平面坐标x等坐标轴上的单位向量的坐标值。
综合以上几个步骤，坐标变换公式为：
(x’ y’ z’ 1)＝(x y z 1)·T·(-tx，-ty，-tz)·R
(3.11)
经过坐标系转换，点云数据中的有效点现在转化为了二维平面上的坐标。
优选地，有效点应该均匀分布于反射片区域，主观上很容易分辨，但是算法程序并没有模糊逻辑功能，通过计算得到以反射片两条垂直临边构成的平面直角坐标系，凸包是一个计算几何中的概念，在一个实数向量空间中，对于给定集合x，所有包含x的凸集的交际s被称为x的凸包，与此同时，x的凸包也一定可以用x内所有点(x1，...xn)的线性组合来构造，在二维欧几里得空间中凸包可以想象为一条刚好包含着所有点的橡皮圈。
优选地，凸包确定的算法流程如下：
(1)把所有点都放在二维坐标系里面，那么横坐标最小和最大的两个点P1`和Pn一定是凸包上的点，直线P1和Pn把点集分为了两部分，即x轴上面和下面两部分，分别称为上报和下包；
(2)对上包，求距离直线P1Pn最远的点；
(3)对直线P1Pmax，PnPmax，把直线P1Pmax左侧的点视为上包，把直线PnPmax右侧的点也视为上包；
(4)重复步骤2、3，直至直线某一侧不存在点。
优选地，所述二进制hash码的正向编译指的是将预先设定好的预设码，通过特定的转化方式转化为长度为40位的二进制编码后，最终投影在反射片上；二进制hash码的逆向识别则是指将扫描得到的点云数据通过一定的处理和解码，得到该反射片所蕴含的编码信息。
由于采用上述技术方案，本发明有益效果：本发明用点阵扫描二进制hash码这一方法，通过总点云数据反射强度扫描筛选有效反射点识别，有效反射点云平面拟合及平面投影，点云坐标转换，点云信息中包含编码信息的阵列识别几个步骤，对点云数据进行一定处理，并通过特定的编码规则，对点云信息中包含的编码进行转码，以得到沉降观测点所在的城市，隧道号，点号等信息，实现对隧道形变反射片的自动识别及反向设计。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的点云反射强度分布图；
图3是本发明的样例数据拟合平面示意图；
图4是本发明的凸包算法示意图；
图5是本发明的反射片效果预览图；
图6本发明的实验反射片点云处理所得编码矩阵。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1并结合图2-图6所示，一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其方法步骤包括：(1)材质分析；(2)隧道形变反射片处理；(3)点云数据处理；(4)反射片编码扫描；(5)实验验证；所述点云数据处理进一步包括有效点发射识别、点云平面拟合及投影、点坐标转换和特征码扫描识别，反射片编码扫描包括二进制hash码，所述二进制hash码包括二进制hash码的正向编译和二进制hash码的逆向识别。
进一步的，所述有效点发射识别首先我们需要对反射材质做一定区分，隧道没墙面材质一般为水泥砂浆抹面，其反射率系数为0.30-0.35左右，这是一个比较低的数值，和玻璃相近，而一般反射片的反射系数都在0.9以上；两者具有较高的区分度，有效点，即非墙体的反射片或者其他2级反射材料上的扫描点，通过对有效点的扫描，可以识别出本反射片所特有的编码信息，在扫描得到的点云数据中，还会包含反射强度数值。
进一步的，所述点云的平面拟合及投影采用平面拟合方程，其中平面拟合方程表达方式为：
Ax+By+Cz+D＝0,(c≠0)
记：
则：z＝a0x+a1y+a2，其中a0a1a2为拟合平面系数对于点云之中的n个点：
(xi,yi,zi),i＝0,1,…,n-1
要用点(xi,yi,zi),i＝0,1,…,n-1计算拟合上述平面方程，则使方差S：
最小。
为了使S最小，应满足：k＝0,1,2
即
解上述方程组，即可得到：a0，a1，a2
即：z＝a0x+a1y+a2
采用样例数据，运用最小二乘法进行平面拟合。
进一步的可以得到拟合平面的法向量(A，B，C)，以法向量作为直线的方向向量，做过点(xi,yi,zi),i的直线，直线方程为：
将其与平面方程(3.1)联立，求解即可得到投影点坐标。
进一步的，点云已经散落在拟合平面上，该平面的法向量已经确定，但是由于尚未确定反射片的相邻直角边方向，所以需要在三维坐标转换之中，插入一个扫描基准坐标系的判定，然后继续进行坐标转换。
设点云数组中的任意一点的坐标位(tx,ty,tz)，以该点位坐标中心，将其平移到(0,0,0)为原点的坐标系，则有平移方程为：
其中，x′ y′ z′是转化后的坐标，x y z是经过平面拟合投影之后的坐标，
将其专化为矩阵形式为坐标运算矩阵(x y z 1)乘以平移矩阵T：
由于进行的是等比例转换，故而其转换公式为：
坐标转换则是分为3部分进行的，由于3个过程中的xyz是可轮换的，本文仅以绕z轴为例进行解释。
以三个坐标轴x，y，z作为分别最为旋转轴，则点实际上是在垂直二维坐标系中进行二维变换，运用二维旋转公式即可推出三维旋转变换矩阵。规定在右手坐标系中，物体的旋转的正方向是右手螺旋方向，即从该正半轴看向原点是逆时针方向，α，β，γ分别为x，y，z轴的旋转角。
绕轴旋转时，有：
其矩阵式为:
利用单位坐标向量构造坐标旋转矩阵R：
其中的u′x1，u′x2，u′x3等为点云数据坐标系中投影平面坐标x等坐标轴上的单位向量的坐标值。
综合以上几个步骤，坐标变换公式为：
(x' y' z' 1)＝(x y z 1)·T·(-tx，-ty，-tz)·R
(3.11)
经过坐标系转换，点云数据中的有效点现在转化为了二维平面上的坐标。
其中，有效点应该均匀分布于反射片区域，主观上很容易分辨，但是算法程序并没有模糊逻辑功能，通过计算得到以反射片两条垂直临边构成的平面直角坐标系，凸包是一个计算几何中的概念，在一个实数向量空间中，对于给定集合x，所有包含x的凸集的交际s被称为x的凸包，与此同时，x的凸包也一定可以用x内所有点(x1，...xn)的线性组合来构造，在二维欧几里得空间中凸包可以想象为一条刚好包含着所有点的橡皮圈。
凸包确定的算法流程如下：
(1)把所有点都放在二维坐标系里面。那么横坐标最小和最大的两个点P1`和Pn一定是凸包上的点，直线P1和Pn把点集分为了两部分，即x轴上面和下面两部分，分别称为上报和下包；
(2)对上包，求距离直线P1Pn最远的点；
(3)对直线P1Pmax，PnPmax，把直线P1Pmax左侧的点视为上包，把直线PnPmax右侧的点也视为上包；
(4)重复步骤2、3，直至直线某一侧不存在点。
若是横坐标最小或者最大的点不止一个，因此这些点都是凸包上的点。选中其中一条计算即可。限于字数，判断最远点的方法判断最远点的方法本文将不再赘述。
生成凸包后，还需要进行外接最小矩形的判定。凸包确定之后，就可以使用枚举法计算最小外接矩形了。
该直线为第一个外接矩形D1的一条边所延伸出来的直线。遍历所有剩余点，构造与该边平行的直线方程Ax+By+Cn＝0。若凸包构造无误，则直线系中，有C1≥Cn，或C1≤Cn。取Cn中除C1外的另一极值，已知直线l1的斜率为遍历所有点，以斜率构造直线。由于这一直线x,y,k(斜率)均为抑制，故而可以根据这三者求得直线点斜式方程中的b。取其中bmin和bmax两条直线，计算可以得到直线间距d2。易得第一外接矩形的面积S1＝d1×d2。
遍历凸包数组中的每一条边，并构造以该边所在直线为边的最小外接矩形，即可得到矩形面具数组S＝{S1，......Sn}。选取数组S中的最小值Sm≤Sn，以lm为边的矩形即为最小外接矩形。而lm与求Sm时构造的与lm垂直的直线l‘m即为点云扫描坐标系坐标轴。以这两条直线的交点o作为原点，直线方向作为坐标轴，建立平面直角坐标系。经过二维坐标转换计算，就可以的到便于扫描，以反射片相邻直角边为坐标轴的扫描坐标系。点云处理过程至此结束。在处理过程中，依然可能存在一些问题，比如：有效点识别误差，点云拟合平面倾角过大，外接矩形判断错误等。以有效点识别误差为例：如果在有效点识别时出现错误判别，在反射片区域之外一定距离误将一个外界点归入有效点之中，在平面拟合过程之中，这一误差将被分配至至其余点上，也许不会产生过大误差。但是在判定凸包和最小外接矩形时，这一误判将是致命的，很可能造成矩形变形或者坐标系大幅度偏转。故而为了检验点云处理的可靠性，还需要进行一定的可靠性检验。
分析可知，既然有效点的定义为“非墙体的反射片或者其他2级反射材料”，而点云处理过程中，进行的都是同比转换，所以有效点区域的大小应该和反射片大小完全一致，或者存在小幅度误差，本文以5％误差为限。试验中使用的模板反射片大小为20cm×10cm，而最小外接矩形面积约为206.95cm2，误差为3.475％，证明该次点云处理是可靠的。
关键码扫描，即通过扫描这一方式，对反射片上包含信息的特征区域进行识别，从而得到其中的编码信息。经过之前的点云处理之后，已经得到了以反射片左上角点位坐标原点的扫描坐标系。配合已知的反射片设计方案，就可以确定设定的特征区域的坐标区域。
但是在实际进行数据处理中，发现扫描点云中可能存在一定的直角位误判点，横向偏移或是纵向偏移：
进一步的，反射片编码扫描包括二进制hash码，所述二进制hash码包括二进制hash码的正向编译和二进制hash码的逆向识别，所述二进制hash码的正向编译指的是将预先设定好的预设码，通过特定的转化方式转化为长度为40位的二进制编码后，最终投影在反射片上；二进制hash码的逆向识别则是指将扫描得到的点云数据通过一定的处理和解码，得到该反射片所蕴含的编码信息。
邻域是一个数学上的定义，表示以a为中心的任何开区间成为点a的邻域。扫描范围是一个二维平面的情况下，我们需要对邻域构造方式做一定调整。设定的特征区域是矩形，故而将每个特征区域的中点作为圆心，建立长短轴比等于特征矩形长宽比椭圆同心邻域。该系列领域的最大邻域的外围椭圆正好与特征矩形内切。
有效点识别时，我们已经为不同材质选择了反射强度范围。为了确定矩形的特征区域的编码为0还是1，我们采用同一区域内的点的反射强度对点进行分类，将其分为二级反射材料，反射片两类，反射片对应编码为1，二级反射材料对应编码为0。对不同反射圈内的点的反射强度进行判定，同一强度范围内的点数超过一定数量，则认为该范围所确定的材质即为本特征区材质。
不同扫描级别获得的精确程度是不一样的。一级扫描的扫描范围较小，而且处于中间区域。所以在横向平移误差小于5.625mm，纵向误差小于3.75mm的情况下均不会影响1级扫描。所以其实最容易得到扫描结果的，但也是扫描精确度最低的一种方法，只要出现大于8.5mm的横向误差就会出现误判。与此相对，4级扫描会被很小的误差影响，但是其扫描结果置信度最高的，出现误判的可能性最小。在出现10mm以上的误差的情况下，才可能出现误判。
相对于单邻域扫描，多邻域扫描的优势在于主要在于抗差性能上：各个级别的扫描由于其抗差能力不同，对比同一特征点的多级扫描情况，就基本可以判断这一点的扫描精度。
二进制hash码：hash，一般译为“散列”，其含义为把任意长度的输入(又称预映射)，通过散列算法，变换成一串固定长度的输出数据，该数据就是散列值。这种转换是一种压缩映射，即散列值的编码长度通常远小于输入的数据长度，不同的输入可能会散列成相同的输出，所以不可能从散列值来唯一的确定输入值。简单而言，即一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。
通过对其进行散列运算，筛选编码区域，去除冗余数据，并对特征区域进行特征扫描。转化为长度为40字节的2进制编码后，解码其中所包含的信息。而其具体过程包括了投影，坐标转换，特征值筛选，特征点领域扫描等。最终结果为一个9位数字字母混合编码。编码规则如下：前两位为城市字母缩写编号，第三位为隧道号，第四位为方向字母编号，后5位为点号。
例如编码“ABCDEFGHI”这一预设码，其中
“A”和“B”为城市编号，一般使用城市的拼音首字母进行编码；
“C”为16进制隧道号，可以用于标识该编码是几号地铁线中的沉降观测点；
“D”为方向编码，用于区分该点处于隧道上行方向还是下行方向；
“EFGHI”则表示一个数字，确定上述编码确定的子分类中，该点的具体编号。
二进制hash码的正向编译：正向编译指的是将预先设定好的预设码，通过特定的转化方式转化为长度为40位的二进制编码后，最终投影在反射片上。在上文所规定的编码规则下，我们将40位长度的二进制编码划分为5个区段，各区段长度依次为5、5、4、5、21。前两个区段二进制转化为十进制数字后，代表对应位次的英文字母；第三区段用4位长度的二进制编码表示一个数字；第四区段用与前两个区段相同的规则表示一位英文字母；最后一个长区段则用于表示一个十进制数字。
例如：
预设码：sh8x50000
编码过程：
S：该英文字母第19位英文字母，所以将首位编码转化为十进制数字“19”，而数字“19”的二进制码为10011(其长度为5，以下不再解释括号内数字含义)；
H：该英文字母第8位英文字母，所以将其转化为十进制数字“8”，数字“8”二进制码为01000(5)；
8：16进制中的第8位数字，转化为二进制码为1000(4)
X：该英文为第24位英文字母，所以将其转化为十进制数字“24”，“24”的二进制码为11000(5)
50000：点号编码为50000，将该数字转化为二进制，二进制码为000001100001101010000(21)
该预设码所编码投影的反射片特征码矩阵为：
所得的反射片预览图为图5所示，因此，在实际加工时，可以根据类似该效果图进行加工。
二进制hash码的逆向识别则是指将扫描得到的点云数据通过一定的处理和解码，得到该反射片所蕴含的编码信息。其解码过程是上文中的过程的反向过程。
根据用户的需要，如城市、隧道名称、上下行、衬砌环编号等，根据我们的规则，制作成一套hash码，然后将该hash码转换为镂空的反射片设计图案。
根据激光扫描获得点云数据，分析获得反射片的点云，然后获得镂空的地方点云数据，通过反射率识别为相应的hash码，并通过hash码的规则，识别为该位置对应的语义信息，如城市、隧道名称、上下行、衬砌环编号等。
逆向识别则是指将扫描得到的点云数据通过一定的处理和解码，得到该反射片所蕴含的编码信息。其解码过程是上文中的过程的反向过程，本文不再赘述其详细过程，仅使用一个例子示例其过程：点云处理后，所得的编码矩阵为图6所示，转换过程如下：(由于当时采用的是反码，故而先行进行一次正反转换)01111，转化为反码后为二进制数字“10000”，代表第16个英文字母，即字母“P”。其余字符段的转码与此同理，限于字数，本文不再赘述。最终转化所得的编码为PH2A34952。
本发明用点阵扫描二进制hash码这一方法，通过总点云数据反射强度扫描筛选有效反射点识别，有效反射点云平面拟合及平面投影，点云坐标转换，点云信息中包含编码信息的阵列识别几个步骤，对点云数据进行一定处理，并通过特定的编码规则，对点云信息中包含的编码进行转码，以得到沉降观测点所在的城市，隧道号，点号等信息，实现对隧道形变反射片的自动识别及反向设计。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其特征在于：其方法步骤包括：
(1)材质分析；
(2)隧道形变反射片处理；
(3)点云数据处理；
(4)反射片编码扫描；
(5)实验验证；所述点云数据处理进一步包括有效点发射识别、点云平面拟合及投影、点坐标转换和特征码扫描识别；
反射片编码扫描包括二进制hash码，所述二进制hash码包括二进制hash码的正向编译和二进制hash码的逆向识别；
所述点云的平面拟合及投影采用平面拟合方程，其中平面拟合方程表达方式为：
Ax+By+Cz+D＝0,其中C≠0
记：
则：z＝a0x+a1y+a2，其中a0、a1、a2为拟合平面系数
对于点云之中的n个点：
(xi,yi,zi),i＝0,1,…,n-1
要用点(xi,yi,zi),i＝0,1,…,n-1计算拟合上述平面方程，则使方差S：
最小；
为了使S最小，应满足：k＝0,1,2
即
解上述方程组，即可得到：a0，a1，a2
即：z＝a0x+a1y+a2
采用样例数据，运用最小二乘法进行平面拟合。
2.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其特征在于：所述有效点发射识别首先需要对反射材质做一定区分，隧道墙面材质一般为水泥砂浆抹面，其反射率系数为0.30-0.35，这是一个比较低的数值，而一般反射片的反射系数都在0.9以上；两者具有较高的区分度，有效点，即非墙体的反射片或者其他2级反射材料上的扫描点，通过对有效点的扫描，识别出本反射片所特有的编码信息，在扫描得到的点云数据中，还会包含反射强度数值。
3.根据权利要求2所述的一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其特征在于：进一步的可以得到拟合平面的法向量(A，B，C)；以法向量作为直线的方向向量，做过点(xi,yi,zi),i的直线，直线方程为：
将其与平面方程(3.1)联立，求解即可得到投影点坐标。
4.根据权利要求3所述的一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其特征在于：点云已经散落在拟合平面上，该平面的法向量已经确定，但是由于尚未确定反射片的相邻直角边方向，所以需要在三维坐标转换之中，插入一个扫描基准坐标系的判定，然后继续进行坐标转换；
设点云数组中的任意一点的坐标位(tx,ty,tz)，以该点位坐标中心，将其平移到(0,0,0)为原点的坐标系，则有平移方程为：
其中，x′ y′ z′是转化后的坐标，x y z是经过平面拟合投影之后的坐标，
将其专化为矩阵形式为坐标运算矩阵(x y z 1)乘以平移矩阵T：
由于进行的是等比例转换，故而其转换公式为：
5.根据权利要求4所述的一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其特征在于：以三个坐标轴x，y，z作为分别最为旋转轴，则点实际上是在垂直二维坐标系中进行二维变换，运用二维旋转公式即可推出三维旋转变换矩阵，规定在右手坐标系中，物体的旋转的正方向是右手螺旋方向，即从该正半轴看向原点是逆时针方向，α，β，γ分别为x，y，z轴的旋转角；
绕轴旋转时，有：
其矩阵式为:
利用单位坐标向量构造坐标旋转矩阵R：
其中的u′x1，u′x2，u′x3为点云数据坐标系中投影平面坐标x坐标轴上的单位向量的坐标值；
综合以上几个步骤，坐标变换公式为：
(x’ y’ z’ 1)＝(x y z 1)·T·(-tx，-ty，-tz)·R (3.11)
经过坐标系转换，点云数据中的有效点现在转化为了二维平面上的坐标。
6.根据权利要求5所述的一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其特征在于：有效点应该均匀分布于反射片区域，主观上很容易分辨，但是算法程序并没有模糊逻辑功能，通过计算得到以反射片两条垂直临边构成的平面直角坐标系，凸包是一个计算几何中的概念，在一个实数向量空间中，对于给定集合x，所有包含x的凸集的交际s被称为x的凸包，与此同时，x的凸包用x内所有点(x1，...xn)的线性组合来构造，在二维欧几里得空间中凸包可以想象为一条刚好包含着所有点的橡皮圈。
7.根据权利要求6所述的一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其特征在于：凸包确定的算法流程如下：
(1)把所有点都放在二维坐标系里面,那么横坐标最小和最大的两个点P1`和Pn一定是凸包上的点，直线P1和Pn把点集分为了两部分，即x轴上面和下面两部分，分别称为上报和下包；
(2)对上包，求距离直线P1Pn最远的点；
(3)对直线P1Pmax，PnPmax，把直线P1Pmax左侧的点视为上包，把直线PnPmax右侧的点也视为上包；
(4)重复步骤2、3，直至直线某一侧不存在点。
8.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内定位和形变分析的激光反射片实现方法，其特征在于：所述二进制hash码的正向编译指的是将预先设定好的预设码，通过特定的转化方式转化为长度为40位的二进制编码后，最终投影在反射片上；二进制hash码的逆向识别则是指将扫描得到的点云数据通过一定的处理和解码，得到该反射片所蕴含的编码信息。
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