CN110108255B - 多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，包括数据采集硬件模块、数据采集与预处理模块和数据后处理模块；所述数据采集硬件模块与所述数据采集与预处理模块连接，所述数据采集与预处理模块与所述数据后处理模块连接；所述数据采集硬件模块包括电动系统、传感器及车体；所述位移传感器包括激光器、激光检测器及测量电路；所述电动系统包括遥控器、驱动轮及中控供电中心；本发明解决了传统的隧道检测方法所存在的缺陷，兼容Faro、Leica和Z+F三种激光扫描仪进行数据采集，满足不同测量精度的要求，支持更多用户使用；同时，在满足隧道检测日常需求的基础上，可以采集轨道数据进行轨道平顺性检测，及进行绝对坐标测量。

Description

多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统

技术领域

本发明涉及测绘工程技术领域，具体地说是一种多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统。

背景技术

随着我国隧道数量和规模逐年递增，隧道结构状态的快速监测与检测变得尤为重要。然而隧道检测技术却很落后，仍然用传统检测方法进行检测。传统的隧道检测方法是利用全站仪、断面仪等进行检测,测量断面，分析断面情况，传统方法耗费大量的人力、物力，占用过多的施工时间，检测效率很低。

随着三维激光扫描仪的出现，三维激光扫描技术以其可以连续、自动、快速地采集大量的目标物表面三维点云数据，可以进行非接触式测量等优点，逐渐受到人们的喜爱。在进行隧道检测时，三维激光扫描仪能够主动发射扫描光源，通过采集的大量点云数据可以快速构建物体的真实形态，所以可以真实、准确、清晰的表示隧道内的结构状况。三维激光扫描技术为空间数据的获取提供了新的方法和手段，同时也推动了空间三维数据获取方式向着实时化、动态化、集成化、数字化和智能化的方向发展。

三维激光扫描技术是目前较新的一门测量技术，如今有很多相关方面的研究，其中用三维激光扫描进行隧道检测也是当前的研究热点之一。但由于不同品牌的扫描仪记录数据的方式不同，相对应的数据采集软件也是千差外别，这给测量工作者带来了很大的学习压力，降低了工作效率。

移动测量系统是当今测绘界最为前沿的科技之一，它是在机动车等移动载体上装配GPS(全球定位系统)、CCD(视频系统)、INS(惯性导航系统)或航位推算系统等先进的传感器和设备，在载体行进过程中，采集被测物体的空间位置数据和属性数据。

中国专利CN206741005U公开了一种适用于运营地铁隧道的可移动式安全检测设备，包括三维扫描单元，所述可移动式安全检测设备还包括移动机构，所述三维扫描单元设置在所述移动机构上，其用于扫描隧道区域及进行位置检测；所述移动机构通过沿隧道的长度方向移动来带动所述三维扫描单元移动，以使所述三维扫描单元随着移动以扫描所述隧道的不同区域。中国专利申请CN109341502A公开了一种可移动式隧道断面变形检测装置，采用四个调节支撑杆，配合弹簧销，根据需要实现支撑座的高度调节，并使得整个装置被稳定的放置，利用万向轮推动整个装置至需要的位置，便于整个装置的移动，给隧道检测工作带来便捷；采用测量器和辅助测量器的配合，实现测量面所在截面的距离测量，通过紧固螺栓的调节，使得测量器以及辅助测量器被旋转至定位槽位置，以实现不同角度的调节，便于测量隧道不同角度的距离，以期检测隧道断面的变形情况。上述专利均是对隧道日常参数进行检测，自动化程度不高，获得的指标参数有限，且测量精度不高。

因此，如何提供一种多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，以实现同时兼容Faro、Leica和Z+F三种扫描仪进行数据采集，满足不同测量精度的要求，同时，在满足隧道检测日常需求的基础上，可以采集轨道数据进行轨道平顺性检测，及进行绝对坐标测量，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，以实现同时兼容Faro、Leica和Z+F三种扫描仪进行数据采集，满足不同测量精度的要求，同时，在满足隧道检测日常需求的基础上，可以采集轨道数据进行轨道平顺性检测，及进行绝对坐标测量。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。

一种多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，包括数据采集硬件模块、数据采集与预处理模块和数据后处理模块；

所述数据采集硬件模块与所述数据采集与预处理模块连接，所述数据采集与预处理模块与所述数据后处理模块连接；

所述数据采集硬件模块包括电动系统、传感器及车体。

优选地，所述传感器包括激光扫描仪、里程计及位移传感器；

所述激光扫描仪安装在所述车体的中间位置，所述里程计安装在所述车体的左右轮上，所述位移传感器安装在所述车体内部；

所述位移传感器包括激光器、激光检测器及测量电路。

优选地，所述激光扫描仪通过支架安装在所述车体的中间，所述支架的高度可调，所述激光扫描仪的安装方式包括高位安装方式和低位安装方式。

优选地，所述数据采集硬件模块还包括惯性导航组件，所述惯性导航组件用于轨道的平顺性检测；

所述惯性导航组件包括3个陀螺仪和3个加速度计。

优选地，所述电动系统包括遥控器、驱动轮及中控供电中心；所述遥控器与所述中控供电中心连接。

优选地，所述驱动轮包括第一驱动轮和第二驱动轮，所述第一驱动轮和第二驱动轮之间设有差速电机和刹车器；

所述中控供电中心包括控制器和电池组，所述控制器和所述刹车器连接，所述控制器能够控制所述电池组通电和断电。

优选地，所述数据采集与预处理模块包括设置模块、数据采集模块及数据处理模块；

所述设置模块用于设置所述数据采集硬件模块中各配件的相关参数，所述数据采集模块用于采集所述传感器的数据，所述数据处理模块用于将采集到的数据进行里程纠正融合成LAS格式数据。

优选地，所述数据后处理模块包括断面分析模块、限界检测模块、正射影像生成模块及隧道线型恢复模块。

优选地，所述数据后处理模块还包括轨道平顺性检测模块，所述轨道平顺性检测模块包括计算实测数据与设计数据偏差、模拟设计数据，所述模拟设计数据包括计算模拟设计数据线形参数、计算偏差相对最小拟合设计数据。

优选地，所述计算实测数据与设计数据偏差是利用线路测量正反算方法来计算，其中偏差包括横向偏差、高程偏差及超高偏差；

所述计算模拟设计数据线形参数包括直线段参数、圆曲线参数及缓和曲线段参数；

所述计算偏差相对最小拟合设计数据是通过参考选权迭代法拟合得到最优直线段结果，将其与拟合圆曲线线形结果计算整体设计线形，较为复杂的则设定合理阈值，通过控制缓和曲线段偏差的方法迭代计算以得到与测量点线形相符合并且偏差相对最小的模拟设计线形。

本发明所获得的有益技术效果：

(1)本发明解决了传统的隧道检测方法所存在的缺陷，本发明兼容Faro、Leica和Z+F三种扫描仪进行数据采集，满足不同测量精度的要求，支持更多用户使用；同时，在满足隧道检测日常需求的基础上，可以采集轨道数据进行轨道平顺性检测，及进行绝对坐标测量；

(2)本发明中数据采集硬件模块使用电驱动系统控制车体前进速度，能保证系统在工作过程中匀速运行，进而为生成均匀的点云数据与正射影像分辨率提供保证；数据采集硬件模块可配备惯性导航组件，既可将相对测量数据转换为绝对测量成果，也可进行轨道平顺性检测；

(3)本发明中将激光扫描仪安装位置在车体中间，有两种高度可调，高位安装方式能保证扫描到隧道中的防护板，低位安装方式能保证扫描到轨道；

(4)本发明中轨道平顺性分析方法可通过实测数据生成模拟设计数据，有助于在没有设计数据或设计数据无实际参考意义的情况下，进行轨道平顺性分析。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明中数据采集硬件模块的架构图；

图2是本发明中数据采集硬件模块的结构图；

图3是本发明中激光扫描仪高位安装图；

图4是本发明中激光扫描仪低位安装图；

图5是本发明中数据后处理模块的工作流程图；

图6是本发明中隧道检测数据传输示意图；

图7是本发明中含惯性导航组件的隧道检测数据传输示意图；

图8是本发明中轨道点与中线的相对关系图；

图9是本发明中模拟设计数据迭代拟合流程图；

图10是实施例4中隧道断面点云数据图；

图11是实施例4中隧道断面分析结果图；

图12是实施例4中限界检测分析结果图；

图13是实施例4中轨道平顺性分析结果的横向偏差图；

图14是实施例4中轨道平顺性分析结果的竖向偏差图。

在以上附图中：1、车体；2、激光扫描仪；3、驱动轮；4、里程计。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

一种多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，包括数据采集硬件模块、数据采集与预处理模块和数据后处理模块；所述数据采集硬件模块与所述数据采集与预处理模块连接，所述数据采集与预处理模块与所述数据后处理模块连接。

如附图1所示，所述数据采集硬件模块包括电动系统、传感器及车体1，所述传感器包括激光扫描仪2、里程计4及位移传感器。

如附图2所示，所述车体1整体呈“工”型结构，保证其在工作中的稳定性，该系统除激光扫描仪2与里程计4外其余组件几乎全部位于车体1内部。

所述激光扫描仪2通过支架安装在所述车体1的中间位置，所述支架的高度可调，有两种可调高度，所述激光扫描仪2的安装方式包括高位安装方式和低位安装方式；如附图3所示，高位安装方式目的是保证扫描到隧道中的防护板，如附图4所示，低位安装方式，扫描仪扫描断面突出于车体1，目的是保证扫描到两条轨道。

所述激光扫描仪2的测点原理是根据点反射回来的时间和角度判断点的位置，通过高速激光扫描测量，大面积高分辨率的获取被测对象表面的三维坐标数据；可采用Faro、Leica和Z+F激光扫描仪，扫描角度分别为300°、290°、320°，能够满足隧道轨道等多种场景的需求，三种激光扫描仪的主要技术参数如表1、表2及表3所示。

表1 FaroFocus3D120主要技术参数

表2 LeicaScanStationP30/P40主要技术参数

表3 Z+F IMAGER5016主要技术参数

所述位移传感器采用Banner LT3系列激光位移传感器，用于集成到轨检小车上进行轨距测量，激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器，它由激光器、激光检测器和测量电路组成，可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，同时激光有直线度好的优良特性，相对于超声波传感器有更高的精度。

所述位移传感器安装在所述车体1的横梁内部，用于获取实时的轨距参数，检测轨距的变化情况。

所述里程计4采用步进电机实现里程测算，步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机；在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的；可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

所述里程计4安装在所述车体1的左右轮上，在车体1左右轮(后轮)各安装一个同心轴，步进电机固定在车轮内侧，通过测量车轮转过的角度，结合车轮的半径推算距离，以此来获取车体1的行驶里程，左右各安装一个里程计4，用来提高数据的精度。

所述电动系统包括遥控器、驱动轮3及中控供电中心；所述遥控器与所述中控供电中心连接。

所述驱动轮3为车体1的后轮，车体1的前轮为从动轮；所述驱动轮3包括第一驱动轮和第二驱动轮，所述第一驱动轮和第二驱动轮之间设有差速电机和刹车器。

所述中控供电中心包括控制器和电池组，所述控制器和刹车器连接，所述控制器能够控制所述电池组通电和断电。控制的指令通过遥控器发送至中控供电中心，从而控制车体1行进或停止，遥控器可以控制车体1进行走、停、指定速度匀速运行等，该系统包括五个档位用于速度控制：1档的速度为0.45Km/h，2档的速度为0.9Km/h，3档的速度为1.8Km/h，4档的速度为3.6Km/h，5档的速度为5.4Km/h。

所述数据采集与预处理模块包括设置模块、数据采集模块及数据处理模块，实现数据采集、里程纠正、数据融合等功能。

所述设置模块用于设置所述数据采集硬件模块中各配件的相关参数，所述数据采集模块用于采集所述传感器的数据，所述数据处理模块用于将采集到的数据进行里程纠正融合成LAS格式数据。

所述数据采集与预处理模块主要安装在计算机中与数据采集硬件系统配合完成数据采集工作，主要功能有控制和监测数据采集硬件系统的工作状态，设置数据采集硬件系统中各配件的相关参数，解决采集到的扫描仪数据、里程数据和位移数据的时间同步、存储格式与方式等问题以及将采集到的数据进行里程纠正融合成LAS格式数据等。

所述数据后处理模块包括断面分析模块、限界检测模块、正射影像生成模块及隧道线型恢复模块。

如附图5所示，数据后处理模块的工作流程，主要通过分析数据采集与预处理模块得到的LAS数据，进行断面分析、限界检测、正射影像生成、对比分析和轨道平顺性检测等操作满足隧道的日常检测需求；实现点云漫游、去噪、线型恢复、断面分析、限界检测、中轴线计算、正射影像生成、环号计算、对比分析和轨道平顺性检测等功能。

如附图6所示，隧道检测数据传输示意图，在进行隧道检测时，位移传感器和里程计4是通过数据采集卡与计算机以串口的形式相连接进行数据的传输，而扫描仪则是通过无线的方式由计算机进行控制。

该系统由安装在计算机中的数据采集与预处理模块统一进行操控，激光扫描仪2采用二维螺旋线模式进行扫描，获取x和z轴方向的扫描仪初始数据，由左右两个步进电机数据的改正值提供y轴数据，一圈对应一个位移值，每个断面共有10000个点，不足10000个用0填充，每5000份存入一个文件，一个LAS文件有50000000个点记录，将扫描仪的数据展开为三维空间点；与此同时位移传感器获取相应里程的轨距参数，可用于轨距检测。

实施例2

基于上述实施例1，相同之处不在赘述，所不同之处在于，所述数据采集硬件模块还包括惯性导航组件，一是提供与轨道检测相关的参数，进行轨道平顺性检测，二是可以实现与控制点联测，并实现转换到绝对坐标进行数据采集。

所述惯性导航组件借助惯性组件自主采集运动载体的加速度和角速度，并可解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置；惯性导航组件的组合是固定安装在同一基底上并保持一致相对运动方向的惯性传感器的集合，所述惯性导航组件包括三个陀螺仪和三个加速度计。

选择捷联式惯性导航系统作为轨道检测的导航系统，惯导系统主要功能是和其他测量组件配套使用，实现对铁路轨道高低、轨向、轨距、超高、三角坑等几何参数的精确测量。其主要提供参数为：①位置信息，包括北向位移，天向位移，东向位移；②时间信息；③姿态角，包括俯仰角，航向角以及横滚角，已满足轨检工程所需精度。

捷联式惯性导航系统主要优势为：

①不依赖导航平台，直接通过陀螺仪以及加速度计直接安装在载体上，并积分计算得到运载体的姿态信息；

②不依赖导航平台也使得捷联式惯性导航系统具有体积小，重量轻，造价成本更低；

③便于安装维护，可移性强。

如附图7所示，含惯性导航组件的隧道检测数据传输示意图，在进行隧道检测时，里程计4以及位移传感器发送信号到惯性导航组件中，与惯性导航组件中的惯导信号按照惯导内部时钟时间进行统一，再通过网线接口将时间同步的信号同时传输到数据采集卡中，最终数据采集卡通过网线接口传输到计算机系统中，而扫描仪则是通过无线的方式由计算机进行控制，从而完成数据采集。

所述数据后处理模块还包括轨道平顺性分析模块，用轨道实测数据通过线形拟合等计算方法，得到接近实测数据线形且偏差相对最小的模拟设计数据，并以此为基准计算轨道平面以及竖面偏差得出平顺性检测结果。

实施例3

基于上述实施例2，所述轨道平顺性检测模块包括计算实测数据与设计数据偏差、模拟设计数据，所述模拟设计数据包括计算模拟设计数据线形参数、计算偏差相对最小拟合设计数据。

所述计算实测数据与设计数据偏差是利用线路测量正反算方法来计算，其中偏差包括横向偏差、高程偏差及超高偏差；计算轨道实测数据与设计数据之间的横向偏差与竖向偏差，关键的因素是要确定实测数据点对应设计数据中的里程信息，并以此为基础进行偏差计算。

如附图8所示，AB为在平面方向上轨道中线某一段线路，A、B分别对应该段线路的起始点坐标，P以及P′分别为轨道点坐标以及轨道设计中线坐标中里程相对应的设计坐标，l、D分别为待测点到线路起点的里程以及与对应设计数据的偏距，曲线元(能代表直线、圆曲线和缓和曲线三种曲线单元的同一曲线单元称为曲线元)上任意点的坐标以及对应切线方位角可以由数值积分中的Gauss-Legendre公式得到：

其中，X_A，Y_B为A点的坐标值，K_A为A点的曲率，K_B为B点的曲率，L_s为曲线元的弧长，α_A为A点的切线方位角，曲线元的符号函数a＝±1(当曲线元左偏时，a取-1，当曲线元右偏时，a取+1)，K_AB＝K_A-K_B，R_i及V_i为常数，其值为：R₁＝R₄＝0.1739274226R₂＝R₃＝0.3260725774，V₁＝0.0694318442，V₂＝0.3300094782，V₃＝0.6699905218，V₄＝0.9305681558，在已知里程l以及偏距D的情况下，有计算P点坐标的数学模型为：

通过曲线元上某一点的法线是唯一存在的，以此为基础来求解P点的里程l以及偏距D，在A与P′点间取一相近点，如以待测点到起点法线垂直距离长度为里程选取设计数据坐标，并判断P点到该点法线的垂距是否为0，如不为0，用同样方法确定下一近似点位置坐标，以此类推，通过不断循环就可以求出真实里程l，并以此求得对应偏距D，首先由下式求出P点到起点A法线的垂直距离，并取绝对值得到d₁：

d₁＝|(Y_P-Y_A)sinα_A+(X_P-X_A)cosα_A|(6)

以所求得d₁代替式(4)和(5)中的l，可求出更接近于P′点坐标值

由式(6)求得P点到P₁点法线的垂直距离d₂：

将(d₁+d₂)作为l的新值，按照以上步骤重复计算，即可求出新点P₂的坐标

以及P点到P₂点法线的垂距d₃，此时验证d₃，如果|d₃|<0.001m，停止计算得到

则可以计算得到P点对应设计数据中的里程L_p。

由式(6)和(7)可以计算偏距D，如下式：

轨道实测坐标与设计数据之间的偏差包括横向偏差，高程偏差以及超高偏差，其计算公式分别为：

横向偏差＝实测偏距-设计偏距(9)

高程偏差＝实测高程-设计高程(10)

超高偏差＝实测超高-设计超高(11)

由以上公式可以看出，由于设计偏距为常数，故所求偏距可以直接反映轨道横向偏差，而高程偏差与超高计算则都可根据所得轨道检测点里程，确定轨道实测坐标所在设计线形区段范围以及高程或超高信息，并根据起始点坐标以及里程信息，按照里程比例进行计算，得到设计高程与超高，并以此计算得到高程偏差与超高偏差。

所述计算模拟设计数据线形参数包括直线段参数、圆曲线参数及缓和曲线段参数。

由于平曲线线形的复杂程度比竖曲线要高，在直线与圆曲线之间有缓和曲线进行过渡，所以在针对拟合线形中同时含有直线段、缓和曲线段以及圆曲线段的平曲线线路时，要首先分别拟合直线段以及圆曲线段线形参数，其次要计算缓和曲线段线形参数，以得到完整设计线形。本方法的参与计算测量点以从小里程到大里程分别为直线，缓和曲线及圆曲线这种情形为例，首先通过对直线段测量点使用最小二乘法拟合，得到模拟直线方程：

y＝kx+m (12)

其中：k为斜率，m为斜距。

将选定圆曲线段点用Taubin拟合方法拟合，得到圆曲线方程：

(x-a)²+(y-b)²＝r² (13)

其中：(a,b)为圆心坐标，r为圆半径。

将拟合直线段x坐标最小值以及最大值代入拟合直线方程，得到直线段首尾点坐标，分别对应缓直点坐标及直缓点坐标。同理，将拟合圆曲线段x坐标最小值及最大值代入拟合圆曲线方程，得到圆缓点以及缓圆点坐标。由缓直点以及直缓点两点在同一直线段，方位角相同，可得缓直点和直缓点方位角。采用缓圆点坐标计算圆曲线起点与圆心连线的方位角，再计算小里程到大里程方向圆曲线切线方位角，判断从小里程到大里程方向圆曲线的偏向方向，左偏即加上90度，右偏减去90度,同理可以计算圆缓点与圆心连线方位角可以得到圆缓点方位角。

设缓直点里程为0米，计算缓直点以及直缓点两点间直线距离，得到L_直。计算圆曲线段转折角，即圆缓点方位角减缓圆点方位角，得到Δθ₁，由于圆曲线半径已知，则圆曲线段长度为：

L_圆＝Δθ₁×r (14)

计算缓和曲线段的转折角，即直缓点方位角减缓圆点方位角，得到Δθ₂，缓和曲线段长度L_缓为：

L_缓＝2×Δθ₂×r (15)

即直缓点里程为L_圆米，缓圆点里程(L_圆+L_缓)为米，圆缓点里程为(L_圆+L_缓+L_直)米。由此，该段所需分段点参数，里程、X坐标、Y坐标、线型、方位角、半径都已确定，即确定了设计线形。

所述计算偏差相对最小拟合设计数据是通过参考选权迭代法拟合得到最优直线段结果，将其与拟合圆曲线线形结果计算整体设计线形，较为复杂的则设定合理阈值，通过控制缓和曲线段偏差的方法迭代计算以得到与测量点线形相符合并且偏差相对最小的模拟设计线形。

根据已有设计数据参考，或在CAD等制图工具中选取明显大于实际直线段坐标点数的测量点，根据选择坐标点得到拟合直线线形，计算拟合偏差，参考选权迭代法，设定权值，迭代计算偏差值，直到所有观测值权不变以得到直线段线形结果。选权迭代的权函数如下：

其中：p_i为初始权值，v_i为测量值误差，δ₀为观测值中误差。

同样选取大于实际圆线段坐标点数的测量点，根据taubin拟合算子得到拟合圆曲线线形。由上一小节，可计算设计线形，将其与测量数据计算偏差，通过减少圆曲线数目来控制缓和曲线段误差，在此过程中需要设定一个合适的偏差阈值，最终得到设计数据最优结果，模拟设计数据迭代拟合流程图如图9所示。

实施例4

基于上述实施例3，数据采集硬件模块对广州某地铁段进行数据采集，并通过预处理和后处理模块进行数据分析，其中融合后的隧道断面点云数据如附图10所示，该数据的点云分布均匀；隧道断面分析结果如附图11所示，由于硬件采集系统是以断面进行数据采集的，所以分析结果更加接近隧道断面的真实情况；限界检测分析结果如附图12所示，该功能可在任意断面位置进行分析，结果贴近现实情况；轨道平顺性分析结果的横向偏差如附图13所示，竖向偏差如附图14所示，该分析以实测数据为基础，分析结果更具有现实意义，该分析结果可为没有轨道设计数据或轨道设计数据没有参考意义的情况下为轨道调整提供数据参考。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，其特征在于，包括数据采集硬件模块、数据采集与预处理模块、数据后处理模块；

所述数据采集硬件模块与所述数据采集与预处理模块连接，所述数据采集与预处理模块与所述数据后处理模块连接；

所述数据采集硬件模块包括电动系统、传感器及车体(1)；

所述传感器包括激光扫描仪(2)、里程计(4)及位移传感器；

所述激光扫描仪(2)安装在所述车体(1)的中间位置，所述里程计(4)安装在所述车体(1)的左右轮上，所述位移传感器安装在所述车体(1)内部；

所述位移传感器包括激光器、激光检测器及测量电路；

所述激光扫描仪(2)通过支架安装在所述车体(1)的中间，所述支架的高度可调，所述激光扫描仪(2)的安装方式包括高位安装方式和低位安装方式，位移传感器和里程计(4)是通过数据采集卡与计算机以串口的形式相连接进行数据的传输，激光扫描仪(2)则是通过无线的方式由计算机进行控制；

所述数据采集硬件模块还包括惯性导航组件，所述惯性导航组件用于轨道的平顺性检测；

所述惯性导航组件包括3个陀螺仪和3个加速度计；

所述数据采集与预处理模块包括设置模块、数据采集模块及数据处理模块；

所述设置模块用于设置所述数据采集硬件模块中各配件的相关参数，所述数据采集模块用于采集所述传感器的数据，所述数据处理模块用于将采集到的数据进行里程纠正融合成LAS格式数据；

所述数据后处理模块包括断面分析模块、限界检测模块、正射影像生成模块及隧道线型恢复模块；

所述数据后处理模块还包括轨道平顺性检测模块，所述轨道平顺性检测模块包括计算实测数据与设计数据偏差、模拟设计数据，所述模拟设计数据包括计算模拟设计数据线形参数、计算偏差相对最小拟合设计数据。

2.根据权利要求1所述的多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，其特征在于，所述电动系统包括遥控器、驱动轮(3)及中控供电中心；所述遥控器与所述中控供电中心连接。

3.根据权利要求2所述的多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，其特征在于，所述驱动轮(3)包括第一驱动轮和第二驱动轮，所述第一驱动轮和第二驱动轮之间设有差速电机和刹车器；

所述中控供电中心包括控制器和电池组，所述控制器和所述刹车器连接，所述控制器能够控制所述电池组通电和断电。

4.根据权利要求1所述的多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统，其特征在于，所述计算实测数据与设计数据偏差是利用线路测量正反算方法来计算，其中偏差包括横向偏差、高程偏差及超高偏差；

所述计算模拟设计数据线形参数包括直线段参数、圆曲线参数及缓和曲线段参数；

所述计算偏差相对最小拟合设计数据是通过参考选权迭代法拟合得到最优直线段结果，将其与拟合圆曲线线形结果计算整体设计线形，较为复杂的则设定合理阈值，通过控制缓和曲线段偏差的方法迭代计算以得到与测量点线形相符合并且偏差相对最小的模拟设计线形。

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