CN108335291B - 一种隧道病害影像预处理方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道病害影像预处理方法，包括：(1)采用三维激光扫描仪获取盾构隧道的点云信息，断面内各点点云坐标简写为(x，z)；(2)对所述每一断面根据隧道管片拼装结构特点划分圆弧段，采用分段圆弧拟合，提取超出拟合残差外的点云，即为隧道内部附属设施点云，对每段圆弧分别采用最小二乘法进行圆弧拟合，圆方程为(x‑x₀)²+(z‑z₀)²＝r²，求得拟合后的残差，残差大于某个阈值的点即为隧道内部附属设施点云，记入集合A；(3)在根据点云灰度信息获得隧道影像时，由于渗漏水的灰度值较低，因此将集合A中点云的灰度值设为所有点云灰度值的最大值，与隧道渗漏水区分，从而去除附属设施干扰。

Description

一种隧道病害影像预处理方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，特别涉及一种隧道病害影像预处理方法。

背景技术

随着我国地下交通建设规模的逐年扩大，隧道结构安全愈发重要。三维激光扫描技术能快速获取扫描物体的三维点云坐标，具有高效率、高精度、高密度的特性，除此之外，扫描物体的点云携带扫描反射值，能用于较为真实直观地绘制扫描物体的影像，为隧道结构安全监测提供了一种全新的技术手段。

在隧道内部，渗漏水是隧道结构变形的表观病害，对隧道结构稳定、行车安全和地面建设等带来诸多不良影响甚至威胁。目前隧道渗漏水勘探主要是采取人工巡查的方法，耗时耗力，且会存在遗漏的情况，因而采用三维激光扫描技术代替人工排查成为隧道巡检的必然趋势。

基于三维激光扫描技术可生成隧道点云灰度影像，经过预处理、纠正、分类等步骤即可提取隧道渗漏水病害，但由于隧道内部人工附属设施较多，如逃生平台、触网、消防设备、电力设备、里程牌等极大地影响了渗漏水的判读，另外由于隧道影像为灰度影像，信息量较少，从而导致隧道渗漏水识别效果不佳。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种基于三维激光扫描点云的隧道病害影像预处理方法，以解决现有技术中盾构隧道病害影像由于干扰物的问题无法进行目标物识别的问题。

本发明的技术方案是，一种隧道病害影像预处理方法，该预处理方法包括：(1)采用三维激光扫描仪获取盾构隧道的点云信息，包括点云位置信息(x，y，z和灰度值(i)，其中，X轴指向水平方向，Y轴指向隧道轴线方向，Z轴指向竖直方向，在垂直于隧道轴线方向上的任一断面内，由于断面内所有点的y坐标一致，因此断面内各点点云坐标简写为(x，z)；

(2)对所述每一断面根据隧道管片拼装结构特点划分圆弧段，采用分段圆弧拟合，提取超出拟合残差外的点云，即为隧道内部附属设施点云，对每段圆弧分别采用最小二乘法进行圆弧拟合，圆方程为(x-x₀)²+(z-z₀)²＝r²，求得拟合后的残差，残差大于某个阈值的点即为隧道内部附属设施点云，记入集合A。

(3)在根据点云灰度信息获得隧道影像时，由于隧道渗漏水点云的灰度值较低，因此将集合A，即隧道附属设施中点云的灰度值设为所有点云灰度值的最大值，与隧道渗漏水分离，从而去除附属设施干扰。

(4)生成经过预处理后的隧道影像。

本发明利用三维激光点云数据能真实反映盾构隧道内部结构的特点，分割隧道管壁与隧道内部附属设施，在生成隧道影像过程中将隧道内部附属设施点云灰度值统一改变，达到影像预处理效果。因而，本发明的创新关键是，在盾构隧道影像病害提取的处理过程中，直接利用点云数据进行图像预处理。主要方法是：分段圆弧拟合求取点云拟合残差，根据残差阈值提取隧道内部附属设施并进行灰度值重设，因而可以较好地剔除隧道内部附属设施的影响。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1本发明实施例中涉及的隧道断面圆弧划分示意图。

图2本发明实施例中经预处理后的隧道影像示例图。

具体实施方式

本发明的基于三维激光扫描点云的隧道病害影像预处理方法，主要步骤如下：

1)采用三维激光扫描技术获取盾构隧道点云信息，包括点云位置信息(x，y，z)和灰度信息(i)，其中X轴指向水平方向，Y轴指向隧道轴线方向，Z轴指向竖直方向，在垂直于隧道轴线方向上的任一断面内，断面内所有点的y坐标一致，因此断面内各点点云坐标简写为(x，z)。

2)对每一断面均采用分段圆弧拟合，提取超出拟合残差外的点云，即为隧道内部附属设施点云。

首先针对每一断面根据隧道管片拼装结构特点划分圆弧段，共分为六段，如图1所示。盾构隧道管片拼装有通缝拼装和错缝拼装两种，通缝拼装管片所对应的圆心角分别是16°、4×65°、84°，错缝拼装管片所对应的圆心角分别是20°、2×68.75°、3×67.5°，底部段圆弧被列车轨道覆盖且受限于扫描仪视线(300°视角范围)，因而只考虑轨道之上的五段圆弧。对每一段管片均采用圆弧拟合，提取超出拟合残差外的点云，即为隧道内部附属设施点云。圆弧拟合有平均值法、加权平均法、最小二乘法等，前两者算法较为粗糙，拟合效果差，而最小二乘法能通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配，因此本文中对每段圆弧分别采用最小二乘法进行圆弧拟合，圆方程为(x-x₀)²+(z-z₀)²＝r²，求得拟合后的残差，残差大于(0.02～0.1)阈值范围内的点即为隧道内部附属设施点云，记入集合A。

具体推导如下，根据圆方程建立间接平差的函数模型：

(x-x₀)²+(z-z₀)²＝r²

其中x₀与z₀为拟合的圆心坐标，r为拟合的圆半径。

可得误差方程：

将上述方程线性化可得：

式中

由此可得误差方程的矩阵形式：

其中

根据最小二乘原理，上式的

必须满足

的要求，求解可得：

另外由下式求得拟合后的残差：

若σ＞σ_阈，则当前点为隧道附属设施点云集合A。

3)在根据点云灰度信息获得隧道影像时，隧道渗漏水易发生镜面反射，从而激光反射值小，假设影像灰度范围为0～255，则渗漏水的灰度值一般在0～120区间范围内，因此将集合A中隧道附属设施点云的灰度值设为所有点云灰度值的最大值(如255)，则附属设施即可与隧道渗漏水区分。正由于在隧道影像上，由于隧道渗漏水的灰度值比较低，将集合A中点云的灰度值设为所有点云灰度值的最大值即可达到去除附属设施干扰的目的。

4)生成经过预处理后的隧道影像，如图2所示。可以很明显地看到隧道内部管线、触网、管道、螺栓孔等均已变成白色，与渗漏水病害完全区分开来。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (1)

1.一种隧道病害影像预处理方法，其特征在于，该预处理方法包括：

(1)采用三维激光扫描仪获取盾构隧道的点云信息，包括点云位置信息(x,y,z)和灰度值(i)，其中，X轴指向水平方向，Y轴指向隧道轴线方向，Z轴指向竖直方向，在垂直于隧道轴线方向上的任一断面内，由于断面内所有点的y坐标一致，因此断面内各点点云坐标简写为(x,z)；

(2)对每一断面根据隧道管片拼装结构特点划分圆弧段，采用分段圆弧拟合，提取超出拟合残差外的点云，即为隧道内部附属设施点云，对每段圆弧分别采用最小二乘法进行圆弧拟合，圆方程为(x-x₀)²+(z-z₀)²＝r²，求得拟合后的残差，残差大于某个阈值的点即为隧道内部附属设施点云，记入集合A；

(3)在根据点云灰度信息获得隧道影像时，由于隧道渗漏水点云的灰度值较低，因此将集合A，即隧道附属设施中点云的灰度值设为所有点云灰度值的最大值，与隧道渗漏水分离，从而去除附属设施干扰；

(4)生成经过预处理后的隧道影像，

在步骤(2)中，隧道管片拼装包括通缝拼装和错缝拼装，通缝拼装管片所对应的圆心角分别是16°、4×65°、84°，错缝拼装管片所对应的圆心角分别是20°、2×68.75°、3×67.5°，

对每一段管片均采用圆弧拟合，提取超出拟合残差外的点云，即为隧道内部附属设施点云，

对每段圆弧分别采用最小二乘法进行圆弧拟合，

根据圆方程建立间接平差的函数模型：

(x-x₀)²+(z-z₀)²＝r²

其中x₀与z₀为拟合的圆心坐标，r为拟合的圆半径；

可得误差方程：

………

将上述方程线性化可得：

式中

由此可得误差方程的矩阵形式：

其中

根据最小二乘原理，上式的

必须满足

的要求，求解可得：

另外由下式求得拟合后的残差：

若σ＞σ_阈，则当前点为隧道附属设施点云集合A，

求得拟合后的残差，若残差大于(0.02～0.1)阈值范围内的点即为隧道内部附属设施点云，记入集合A，

在步骤(3)根据点云灰度信息获得隧道影像时，隧道渗漏水易发生镜面反射，从而激光反射值变小，

假设影像灰度范围为0～N，渗漏水的灰度值在0～M区间范围内，将集合A中隧道附属设施点云的灰度值设为所有点云灰度值的最大值N，则附属设施即可与隧道渗漏水区分，从而去除附属设施干扰，N和M是正整数。

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