CN109448087A - 一种盾构隧道表面点云数据分段方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道表面点云数据分段方法，包括：1）盾构隧道点云投影：根据盾构隧道点云走向，将三维点云转换成二维；2）边界点提取：将投影后的二维点云网格化，利用网格提取出点云的上下边界点；3）隧道点云分段位置计算：a）所提取边界点的切线斜率计算；b）分段位置计算；4）对两个投影面上盾构隧道点云分段位置联合处理，完成隧道整体点云数据的分段，为隧道点云建模做准备。优点：1）研究了盾构隧道表面点云的分段方法，为基于TLS技术的盾构隧道的中轴线提取、断面分析等点云处理方法提供了技术支撑。2）有效提高中轴线拟合精度，补充盾构隧道变形监测技术方法，在盾构隧道安全监测、预防重大事故方面具有重要的实用价值。

Description

一种盾构隧道表面点云数据分段方法

技术领域

本发明是一种盾构隧道表面点云数据分段方法，属于土木工程安全监测技术领域。

背景技术

基于地面激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）的盾构隧道变形监测技术是当前变形监测领域研究的热门技术。当前基于TLS的盾构地铁隧道变形监测方法是通过提取中轴线得到隧道断面，对隧道断面进行分析，获取隧道变形量值。部分研究采用将隧道中轴线上的点提取出之后直接进行二次曲线拟合获得中轴线，但是对于存在直线段和曲线段的隧道而言，直接采用二次曲线拟合降低了中轴线提取精度。如果能对隧道进行精确分段，然后分别对分段隧道提取中轴线将提高中轴线拟合精度。

发明内容

本发明提出的是一种盾构隧道表面点云数据分段方法，其目的在于针对现有隧道变形监测存在的不足，提供一种准确区分盾构隧道表面点云的直线段和曲线段的分段方法，为后续基于点云的隧道建模与形变分析提供技术支撑。

本发明的技术解决方案：

一种盾构隧道表面点云数据分段方法，包括以下步骤：

（1）盾构隧道点云投影：根据盾构隧道点云整体走向，选择XOY、YOZ或XOZ面中的两个作为投影面，将三维点云转换成二维，简化计算；

（2）边界点提取：在平面内将投影后的二维点云网格化，利用网格提取出点云的上下边界点；

（3）隧道点云分段位置计算：

a）所提取边界点的切线斜率计算：对盾构隧道点云边界邻域拟合，对拟合函数求导计算斜率；

b）分段位置计算：以切线斜率为纵轴建立K-X坐标系，在该坐标系中对切线斜率进行拟合分析，得出拟合直线的交点，交点的横坐标值X即为隧道分段位置，最终获得两个投影面上隧道点云的分段位置；

（4）对两个投影面上盾构隧道点云分段位置联合处理，完成隧道整体点云数据的分段，为隧道点云建模做准备。

本发明的有益效果：

1）本发明研究了盾构隧道表面点云的分段方法，为基于TLS技术的盾构隧道的中轴线提取、断面分析等点云处理方法提供了可靠的技术支撑。

2）有效提高中轴线拟合精度，补充和提高了盾构隧道变形监测技术方法，在盾构隧道安全监测、预防重大事故等方面具有重要的实用价值。

附图说明

附图1是为盾构隧道点云分段步骤流程图。

附图2是XOY面投影结果图。

附图3是XOZ面投影结果图。

附图4是边界提取结果图。

附图5是边界提取结果图。

附图6是分段位置计算流程图。

附图7是点云分段示意图。

具体实施方式

一种盾构隧道表面点云数据分段方法，包括以下步骤：

（1）盾构隧道点云投影：根据盾构隧道点云整体走向，选择XOY、YOZ或XOZ面中的两个作为投影面，将三维点云转换成二维，简化计算；

（2）边界点提取：在平面内将投影后的二维点云网格化，利用网格提取出点云的上下边界点；

（3）隧道点云分段位置计算：

a）所提取边界点的切线斜率计算：对盾构隧道点云边界邻域拟合，对拟合函数求导计算斜率；

b）分段位置计算：以切线斜率为纵轴建立K-X坐标系，在该坐标系中对切线斜率进行拟合分析，得出拟合直线的交点，交点的横坐标值X即为隧道分段位置，最终获得两个投影面上隧道点云的分段位置；

（4）对两个投影面上盾构隧道点云分段位置联合处理，完成隧道整体点云数据的分段，为隧道点云建模做准备。

所述步骤（2）边界点提取：

对点云进行网格化，单元网格大小为隧道投影后宽度的1/20；若单元格内有点则矩阵N _ij =1，若单元格内没有点则矩阵Nij=0；然后用其周围其他8个单元判断其是否为边界点，判断公式为：

对于边界单元，对其内的点坐标求取平均值作为边界点。

所述步骤a）所提取边界点的切线斜率计算，包括以下步骤：

1）搜索[x-∆x，x+∆x]范围内的边界点，∆x根据需要进行设置；

2）采用Ransac算法和二次曲线方程拟合步骤1）所提取边界点，曲线拟合的二次曲线方程为：；

3）对拟合函数求导计算斜率K，斜率K计算公式为：

对于边界上的所有点均采用上述方法计算斜率。

所述步骤b）分段位置计算，包括以下步骤：

1）设边界上各点斜率与横坐标值点坐标（X，K）构成集合P，计算集合P中的点的数量num；

2）对集合P中点使用Ransac算法和直线方程进行拟合，拟合所用直线方程为：K=K'x+b；设置阈值ε ₁ ，计算集合P中每个点到拟合直线的距离d，若d<ε ₁ ,则该点归为局内点，局内点构成集合P ₁ ，剩下的非局内点构成集合P ₂ ；

3）使用直线方程对P ₁ 进行拟合,得出一条直线斜率K'，并记录。

4）对于非局内点构成的集合P ₂ ，P ₂ ⊆P，计算P₂中点的数量n，若n小于一定数量时，进入步骤5），否则对集合P₂中的点使用Ransac算法和直线方程进行拟合；使用阈值ε ₁ ，计算集合P ₂ 中每个点到拟合直线的距离d，若d<ε ₁ ,则该点归为局内点，清空P ₁ ，局内点构成新的集合P ₁ ；清空P ₂ ，非局内点构成新的集合P ₂ ，进入步骤3）；

5）计算拟合出P ₁ 每次拟合出的直线的交点；

6）结束计算。

所述步骤（4）中点云数据分段方法，包括以下步骤：

1）获取分段位置坐标：运用步骤3）求出投影面内上边界各点斜率拟合直线的交点及下边界各点斜率拟合直线的交点，如在XOY面内求出上边界各点斜率拟合直线的交点Q _i 及下边界各点斜率拟合直线的交点Q _i '，求出的交点的横坐标轴的值即为隧道分段位置的横坐标值，Q _i 、Q _i '对应的边界上的坐标分别为H _i （x _i ，y _i ）、H _i ' （x _i ',y _i '）,其中i=0,1,2…且i≤n；n为交点个数；

2）进行第一次分段：点云在直线HiHi'左部为隧道的第一段，点云在直线右部为第二段；若K'=0则为直线段，否则为曲线段；若不存在K'=0，说明投影面内点云为曲线段；若K恒等于0，说明投影面内点云为直线段；

3）将第一次分段结束的点云投影至XOZ面，运用步骤1）、2）方法进行分段，直至所有分段都进行完此工作，最终完成盾构隧道表面点云分段。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

如附图1所示，一种盾构隧道点云分段方法，具体包括以下步骤：

⑴盾构隧道点云投影：盾构隧道点云投影根据隧道走向，选择XOY面YOZ面中作为投影面，投影结果如图2、3所示。

⑵边界点提取：对点云进行网格化，单元网格大小为隧道投影后宽度的1/20；若单元格内有点则矩阵N _ij =1，若单元格内没有点则矩阵Nij=0；然后用其周围其他8个单元判断其是否为边界点，判断公式为：

对于边界单元，对其内的点坐标求取平均值作为边界点。提取结果如图4、5所示。

⑶计算分段位置：边界点的方向是该点所在位置处的切线方向，也就是该点所在位置处切线的斜率。边界点的方向是该点所在位置处的切线方向，也就是该点所在位置处切线的斜率。通过对两个平面内的上下边界点进行领域点拟合得出边界各点切线斜率，在X-K坐标系内对斜率拟合得出直线、曲线交点，交点即为隧道表面点云的分段位置，最终获得不同平面上的隧道表面点云分段位置。

①对于边界上某点斜率K计算方法如下：

1)搜索[x-∆x,x+∆x]范围内的边界点（∆x根据需要进行设置）；

2)采用Ransac算法和二次曲线方程进行拟合①所提取边界点

3)对拟合函数求导计算斜率

曲线拟合的二次曲线方程为：

斜率K计算公式为：

对于边界上的所有点均采用上述方法计算斜率K。

②计算分段位置

斜率反映了曲线的变化方向，所以通过拟合斜率可以发现隧道变化的连续性及变化的分界点，具体过程如图6所示：

1）设边界上各点斜率与横坐标值点坐标（X，K）构成集合P，计算集合P中的点的数量num；

2）对集合P中点使用Ransac算法和直线方程进行拟合，拟合所用直线方程为：K=K'x+b；设置阈值ε ₁ ，计算集合P中每个点到拟合直线的距离d，若d<ε ₁ ,则该点归为局内点，局内点构成集合P ₁ ，剩下的非局内点构成集合P ₂ ；

3）使用直线方程对P ₁ 进行拟合,得出一条直线斜率K'，并记录。

4）对于非局内点构成的集合P ₂ ，P ₂ ⊆P，计算P₂中点的数量n，若n小于一定数量时，进入步骤5），否则对集合P₂中的点使用Ransac算法和直线方程进行拟合；使用阈值ε ₁ ，计算集合P ₂ 中每个点到拟合直线的距离d，若d<ε ₁ ,则该点归为局内点，清空P ₁ ，局内点构成新的集合P ₁ ；清空P ₂ ，非局内点构成新的集合P ₂ ，进入步骤3）；

5）计算拟合出P ₁ 每次拟合出的直线的交点；

6）结束计算。

⑷盾构隧道点云进行分段

通过不同平面上的隧道点云数据特征位置联合处理完成隧道整体点云数据的分段，具体方法如下：

1）获取分段位置坐标：运用投影面内上边界各点斜率拟合直线的交点及下边界各点斜率拟合直线的交点，如在XOY面内求出上边界各点斜率拟合直线的交点Q _i 及下边界各点斜率拟合直线的交点Q _i '，求出的交点的横坐标轴的值即为隧道分段位置的横坐标值，Q _i 、Q _i '对应的边界上的坐标分别为H _i （x _i ，y _i ）、H _i ' （x _i ',y _i '），如图7所示，其中i=0,1,2…且i≤n；n为交点个数；

2）进行第一次分段：点云在直线HiHi'左部为隧道的第一段，点云在直线右部为第二段；若K'=0则为直线段，否则为曲线段；若不存在K'=0，说明投影面内点云为曲线段；若K恒等于0，说明投影面内点云为直线段；

3）将第一次分段结束的点云投影至XOZ面，运用步骤1）、2）方法进行分段，直至所有分段都进行完此工作，最终完成盾构隧道表面点云分段。

根据以上所列信息，可知本文所述方法可以精确地对盾构隧道表面点云进行分段，为提取中轴线、断面分析等点云数据处理提供可靠的基础数据和技术方法，补充和提高了基于TLS技术的盾构隧道变形监测技术方法。

Claims (4)

1.一种盾构隧道表面点云数据分段方法，其特征是包括以下步骤：

（1）盾构隧道点云投影：根据盾构隧道点云整体走向，选择XOY、YOZ或XOZ面中的两个作为投影面，将三维点云转换成二维，简化计算；

（2）边界点提取：在平面内将投影后的二维点云网格化，利用网格提取出点云的上下边界点；

（3）隧道点云分段位置计算：

a）提取边界点的切线斜率计算：对盾构隧道点云边界邻域拟合，对拟合函数求导计算斜率；

b）分段位置计算：以切线斜率为纵轴建立K-X坐标系，在该坐标系中对切线斜率进行拟合分析，得出拟合直线的交点，交点的横坐标值X即为隧道分段位置，获得两个投影面上隧道点云的分段位置；

（4）对两个投影面上盾构隧道点云分段位置联合处理，完成隧道整体点云数据的分段。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道表面点云数据分段方法，其特征是所述步骤a）所提取边界点的切线斜率计算，包括以下步骤：

1）搜索[x-∆x，x+∆x]范围内的边界点，∆x根据需要进行设置；

2）采用Ransac算法和二次曲线方程拟合步骤1）所提取边界点，曲线拟合的二次曲线方程为：；

3）对拟合函数求导计算斜率K，斜率K计算公式为：

对于边界上的所有点均采用上述方法计算斜率。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道表面点云数据分段方法，其特征是所述步骤b）分段位置计算，包括以下步骤：

1）设边界上各点斜率与横坐标值点坐标（X，K）构成集合P，计算集合P中的点的数量num；

2）对集合P中点使用Ransac算法和直线方程进行拟合，拟合所用直线方程为：K=K'x+b；设置阈值ε ₁ ，计算集合P中每个点到拟合直线的距离d，若d<ε ₁ ,则该点归为局内点，局内点构成集合P ₁ ，剩下的非局内点构成集合P ₂ ；

3）使用直线方程对P ₁ 进行拟合,得出一条直线斜率K'，并记录;

4）对于非局内点构成的集合P ₂ ，P ₂ ⊆P，计算P₂中点的数量n，若n小于一定数量时，进入步骤5），否则对集合P₂中的点使用Ransac算法和直线方程进行拟合；使用阈值ε ₁ ，计算集合P ₂ 中每个点到拟合直线的距离d，若d<ε ₁ ,则该点归为局内点，否则归为非局内点；清空P ₁ ，局内点构成新的集合P ₁ ；清空P ₂ ，非局内点构成新的集合P ₂ ，进入步骤3）；

5）计算拟合出P ₁ 每次拟合出的直线的交点；

6）结束计算。

4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道表面点云数据分段方法，其特征是所述步骤（4）中点云数据分段方法，包括以下步骤：

1）获取分段位置坐标：运用步骤3）求出投影面内上边界各点斜率拟合直线的交点及下边界各点斜率拟合直线的交点，如在XOY面内求出上边界各点斜率拟合直线的交点Q _i 及下边界各点斜率拟合直线的交点Q _i '，求出的交点的横坐标轴的值即为隧道分段位置的横坐标值，Q _i 、Q _i '对应的边界上的坐标分别为H _i （x _i ，y _i ）、H _i ' （x _i ',y _i '）,其中i=0,1,2…且i≤n；n为交点个数；

2）进行第一次分段：点云在直线HiHi'左部为隧道的第一段，点云在直线右部为第二段；若K'=0则为直线段，否则为曲线段；若不存在K'=0，说明投影面内点云为曲线段；若K恒等于0，说明投影面内点云为直线段；

3）将第一次分段结束的点云投影至XOZ面，运用步骤1）、2）方法进行分段，直至所有分段都进行完此工作，最终完成盾构隧道表面点云分段。