CN108120389A - 基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法。它包括封闭曲面三维激光点云数据预处理；提取封闭曲面中心线，对封闭曲面进行中心线提取，采用迭代算法处理点云的中心线提取；迭代算法所采用的初值选用封闭曲面的设计中心线；截取点云断面；基于几何拟合的断面形变检测方法；曲面数据的自动对比，对多期点云的同里程处的断面进行比较，得到同里程处断面在不同测量时期的形变信息；以各断面拟合所得的中心点为基准，在断面所在的平面内对各个方向上的多期点云进行对比分析；通过参数设定断面所在平面各方向的疏密程度，形变检测算法支持批量断面对比分析操作。具有能够为工程的安全性论证提供重要的原始资料的优点。
Description
技术领域
本发明涉及隧道形变检测领域，更具体地说它是基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法。
背景技术
在水利工程隧洞、铁路山体隧道、城市地铁隧道等工程建设及运行维护阶段，都有封闭曲面的变形检测需求。有效的变形检测能利用专业的设备与方法对封闭体的形变现象进行连续观测，能准确地量测封闭体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征，并对超出允许值的变形区域进行及时预警。
国内外的变形检测方法主要可分为接触式检测和非接触式检测两种类型；接触式检测是需要人工安装监测仪器在隧洞或隧道内壁的不同位置，从而获取封闭曲面的形变信息；安装的监测仪器包括收敛计、巴塞特收敛测量系统等；这类方法能够直接量测隧洞特定位置、区段的变形情况，但人力、财力成本极高，监测周期较长，并会受检测对象的空间大小、内部环境等影响。
非接触式检测可分为激光测距技术、数字图像处理技术和光纤传感技术三类；光纤传感技术受光纤材质所限，不适用于变形情况过于复杂的岩土工程；并且光纤目前的分辨率只能达到米级水平，这对高精度的变形检测而言限制较大；而数字图像处理技术对精细图像处理的设备与人员要求较高，并且该方法还未形成系统的检测体系，工程应用的难度相对较大。
相比而言，激光测距技术是最适用于隧洞与隧道工程的非接触式检测方法，其中，三维激光扫描技术又是最具优势的；它突破了单点测量方式，能高精度、高效率地获取隧洞在不同时段的点云数据和数码影像等三维立体信息；但现有的研究方法只有针对三维点云的一般性建模研究，没有针对封闭曲面的扫描建模与变形检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法，能够为工程的安全性论证提供重要的原始资料；能够为工程的稳定与持续运行提供保障；能够将先进的测绘技术运用于重要的工程项目实践中。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1：封闭曲面三维激光点云数据预处理
引入多期的封闭曲面三维激光点云数据，每期数据均记录x、y、z的坐标信息；在使用地面三维激光扫描仪对封闭曲面进行多期扫描时，选择高密度扫描模式，采用R树空间索引结构技术对海量点云数据进行包括输入、显示、切割的操作和管理；对多期点云数据进行包括配准、去噪、抽稀的常规预处理；
步骤2：提取封闭曲面中心线
对封闭曲面进行中心线提取，采用迭代算法处理点云的中心线提取；迭代算法所采用的初值选用封闭曲面的设计中心线；
采用迭代算法处理点云的中心线提取方法：以封闭曲面的设计中心线为基准对封闭曲面进行初步断面截取，分别对各断面点云进行高精度拟合，各断面的拟合中心的连线即为初步中心线；
当拟合的初步中心线符合限差要求时，可确认为封闭曲面中心线；当拟合的初步中心线不符合限差要求时，需重新进行步骤2的中心线提取工作；
步骤3：截取点云断面
以步骤2获得的封闭曲面中心线为基准，对封闭曲面的点云数据进行断面截取；该步骤将从第1期到第n期引入多期点云数据，n＞1，分别截取点云断面；
步骤4：基于几何拟合的断面形变检测方法
在对断面的形变进行检测时，由于测量误差的存在，待拟合点与模型之间存在偏差，将偏差设为ei；将偏差值ei定义为待拟合点(xi,yi,zi)与模型的欧式距离，几何拟合的模型定义为与待拟合点偏差平方和最小的模型，如公式⑴所示：
式中，待拟合点(xi,yi,zi)从第1到第m个计数，m＞1，ei为第i点的偏差值，min为最小值；(xi,yi,zi)为待拟合点在X轴、Y轴、Z轴上的坐标；
模型的几何拟合算法是将公式⑴的求解采用最优化算法来解决，包括对于平面ax+by+cz+d＝0的几何拟合，等价于最优化问题公式(2)的求解；优化问题属于非线性最小二乘问题，采用Gauss-Newton迭代算法对公式(2)进行求解：
式中，a、b、c为线性拟合的系数，d为常数；
步骤5：曲面数据的自动对比
对多期点云的同里程处的断面进行比较，得到同里程处断面在不同测量时期的形变信息；以各断面拟合所得的中心点为基准，在断面所在的平面内对各个方向上的多期点云进行对比分析；通过参数设定断面所在平面各方向的疏密程度，以提供更多层面的形变信息，且形变检测算法支持批量断面对比分析操作；
对比即是求差运算，对比的结果即为检测结果，通过与具体工程对差异大小的具体规定设定的阈值的比较，在超出阈值情况下发出预警。
在上述技术方案中，步骤2中，采用迭代算法迭代2～3次处理点云的中心线提取。
本发明具有如下优点：
(1)对封闭体的形变现象进行连续观测，能准确地量测封闭体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征，并能对超出允许值的变形区域进行及时预警；
(2)能够为工程的安全性论证提供重要的原始资料；能够为工程的稳定与持续运行提供保障；能够将先进的测绘技术运用于重要的工程项目实践中；
(3)引入了多期海量点云数据的自动比较算法，使检测效率高、测量结果精度高；
(4)适用性强，本发明适用于水利工程隧洞、铁路山体隧道、城市地铁隧道等封闭曲面工程的形变检测，本发明还适用于监测设施(测斜管、沉降管、测压管)孔口保护装置的形变检测。
附图说明
图1为本发明数据处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：封闭曲面三维激光点云数据预处理
引入多期的封闭曲面三维激光点云数据，每期数据均记录X、Y、Z的坐标信息；在使用地面三维激光扫描仪对封闭曲面进行多期扫描时，选择高密度扫描模式，采用R树空间索引结构技术对海量点云数据进行包括输入、显示、切割的操作和管理；对多期点云数据进行包括配准、去噪、抽稀的常规预处理；
步骤2：提取封闭曲面中心线
对隧道等封闭曲面进行中心线提取，采用迭代算法处理点云的中心线提取；迭代算法所采用的初值选用封闭曲面的设计中心线；
采用迭代算法处理点云的中心线提取方法：以封闭曲面的设计中心线为基准对封闭曲面进行初步断面截取；分别对各断面点云进行高精度拟合，各断面的拟合中心的连线即为封闭曲面的初步中心线；
当拟合的初步中心线符合限差要求时，可确认为封闭曲面中心线；当拟合的初步中心线不符合限差要求时，需重新进行步骤2的中心线提取工作；
步骤3：截取点云断面
以步骤2获得的封闭曲面中心线为基准，对封闭曲面的点云数据进行断面截取；该步骤将从第1期到第n期引入多期点云数据，n＞1，分别截取点云断面；
步骤4：基于几何拟合的断面形变检测方法
在对断面的形变进行检测时，由于测量误差的存在，待拟合点与模型之间存在偏差，将偏差值设为ei；将偏差值ei定义为待拟合点(xi,yi,zi)与模型的欧式距离，几何拟合的模型定义为与待拟合点偏差平方和最小的模型，如公式⑴所示：
式中，待拟合点(xi,yi,zi)从第1到第m个计数，m＞1，ei为第i点的偏差值，min为最小值；(xi,yi,zi)为待拟合点在X轴、Y轴、Z轴上的坐标；
模型的几何拟合算法是将公式⑴的求解采用最优化算法来解决，包括对于平面ax+by+cz+d＝0的几何拟合，等价于最优化问题公式(2)的求解；优化问题属于非线性最小二乘问题，采用Gauss-Newton迭代算法对公式(2)进行求解：
式中，a、b、c为线性拟合的系数，d为常数；
步骤5：曲面数据的自动对比
对多期点云的同里程处的断面进行比较，得到同里程处断面在不同测量时期的形变信息；以各断面拟合所得的中心点为基准，在断面所在的平面内对各个方向上的多期点云进行对比分析；通过参数设定断面所在平面各方向的疏密程度，形变检测算法支持批量断面对比分析操作；
对比即是求差运算，对比的结果即为检测结果，通过与视具体工程对差异大小的具体规定设定的阈值的比较，在超出阈值情况下发出预警。
步骤2中，采用迭代算法迭代2～3次处理点云的中心线提取，以获得更为精确的中心线。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (2)
1.基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：封闭曲面三维激光点云数据预处理
引入多期的封闭曲面三维激光点云数据，每期数据均记录x、y、z的坐标信息；在使用地面三维激光扫描仪对封闭曲面进行多期扫描时，选择高密度扫描模式，采用R树空间索引结构技术对海量点云数据进行包括输入、显示、切割的操作和管理；对多期点云数据进行包括配准、去噪、抽稀的常规预处理；
步骤2：提取封闭曲面中心线
对封闭曲面进行中心线提取，采用迭代算法处理点云的中心线提取；迭代算法所采用的初值选用封闭曲面的设计中心线；
采用迭代算法处理点云的中心线提取方法：以封闭曲面的设计中心线为基准对封闭曲面进行初步断面截取，分别对各断面点云进行高精度拟合，各断面的拟合中心的连线即为初步中心线；
当拟合的初步中心线符合限差要求时，可确认为封闭曲面中心线；当拟合的初步中心线不符合限差要求时，需重新进行步骤2的中心线提取工作；
步骤3：截取点云断面
以步骤2获得的封闭曲面中心线为基准，对封闭曲面的点云数据进行断面截取；该步骤将从第1期到第n期引入多期点云数据，n＞1，分别截取点云断面；
步骤4：基于几何拟合的断面形变检测方法
在对断面的形变进行检测时，由于测量误差的存在，待拟合点与模型之间存在偏差，将偏差值设为ei；将偏差值ei定义为待拟合点(xi,yi,zi)与模型的欧式距离，几何拟合的模型定义为与待拟合点偏差平方和最小的模型，如公式⑴所示：
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式中，待拟合点(xi,yi,zi)从第1到第m个计数，m＞1，ei为第i点的偏差值，min为最小值；(xi,yi,zi)为待拟合点在X轴、Y轴、Z轴上的坐标；
模型的几何拟合算法是将公式⑴的求解采用最优化算法来解决，包括对于平面ax+by+cz+d＝0的几何拟合，等价于最优化问题公式(2)的求解；优化问题属于非线性最小二乘问题，采用Gauss-Newton迭代算法对公式(2)进行求解：
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式中，a、b、c为线性拟合的系数，d为常数；
步骤5：曲面数据的自动对比
对多期点云的同里程处的断面进行比较，得到同里程处断面在不同测量时期的形变信息；以各断面拟合所得的中心点为基准，在断面所在的平面内对各个方向上的多期点云进行对比分析；通过参数设定断面所在平面各方向的疏密程度，形变检测算法支持批量断面对比分析操作；
对比即是求差运算，对比的结果即为检测结果，通过与视具体工程对差异大小的具体规定设定的阈值的比较，在超出阈值情况下发出预警。
2.根据权利要求1所述的基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法，其特征在于：步骤2中，采用迭代算法迭代2～3次处理点云的中心线提取。
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2017
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