CN110160463B - 一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法，旨在克服隧道不圆度检测方法无法兼顾检测效率与检测精度等问题缺陷。包括以下步骤：沿隧道中心轴线，采集隧道管壁点云数据；将采集到的隧道管壁点云数据进行拼接处理；以管环为单元，将完整的隧道管壁点云数据进行分割；采用随机噪声误差最小拟合方法对分割后的每一个管环点云数据进行拟合，得到优化圆管片点云数据；对各个优化圆管片点云数据进行截取和拟合，获得几何中心；以几何中心作为圆心，过几何中心计算各个优化圆管片点云数据的任意截面的圆直径集合；获得圆直径集合中的最大直径和最小直径；将圆直径集合中的最大直径和最小直径带入不圆度公式中，得到地铁隧道不圆度值。
Description
技术领域
本发明属于地下工程变形测量技术领域，具体涉及一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法。
背景技术
通过快速的盾构施工，完成地铁隧道的挖掘。由于圆结构具有任一方向受荷载力均匀且等同、自身稳定、承压效果好的优点，形成的隧道截面大都采用圆形截面。但是地下隧道工程受不利地质条件、施工期与运营期荷载变化因素影响，风险源较多并且复杂，容易使地铁隧道截面产生变形。这个变形会给地铁隧道的稳定性带来不利的影响，因此对隧道衬砌管片环直径的不圆度进行检测，采用隧道不圆度作为判断隧道结构稳定性的一个重要参数。
由于地铁隧道内环境恶劣、光源昏暗、视距作业条件有限，现有的测量手段，如“皮尺+铅锤”、全站仪、激光隧道断面仪及轨检激光扫描仪等，无法兼顾检测效率与检测精度，同时还存在圆环点稀少、识别困难、观测偏离等问题，不能精确得到隧道稳定性判别参数，难以准确反映隧道实际变化情况。基于以上分析，有必要提出一种对环境、光线依赖性低、在作业效率与成果精度双方面优势明显的隧道不圆度检测方法。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术存在的针对隧道不圆度检测方法无法兼顾检测效率与检测精度等问题缺陷，提出了一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法，其特征在于，包括如下步骤；
步骤1：沿隧道中心轴线，通过三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据；
步骤2：将采集到的隧道管壁点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道管壁点云数据；
步骤3：以管环为单元，将完整的隧道管壁点云数据进行分割，得到分割后的管环点云数据；
步骤4：采用随机噪声误差最小拟合方法对分割后的每一个管环点云数据进行拟合，得到优化圆管片点云数据；
步骤5：对各个优化圆管片点云数据进行截取，获得管环截面点云切片；
步骤6：对管环截面点云切片进行拟合，获得几何中心；
步骤7：以拟合的各个优化圆管片点云数据的几何中心作为圆心，过几何中心计算各个优化圆管片点云数据的任意截面的圆直径集合；
步骤8：通过对各个圆直径集合中的直径数据进行对比，获得圆直径集合中的最大直径和最小直径；
步骤9：将圆直径集合中的最大直径和最小直径带入不圆度公式中，得到地铁隧道不圆度值。
步骤1中所述的隧道中心轴线为隧道设计中心轴线。
步骤1中所述的通过三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据，包括以下步骤：
步骤11：沿隧道中心轴线，根据隧道形式在隧道中建立观测站，若隧道形式为直线段，则执行步骤12，否则，直线步骤13；
步骤12：若隧道形式为直线段，则沿隧道中心轴线，从隧道中心轴线起始环开始，每15~20环设置一个扫描测站，至隧道中心轴线终止环结束；
步骤13：若隧道形式不为直线段，则沿隧道中心轴线，从隧道中心轴线起始环开始，每10~15环设置一个扫描测站，至隧道中心轴线终止环结束；
步骤14：在观测站上架设三维激光扫描设备，并利用三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据。
步骤1中所述的隧道管壁点云数据包括空间三维坐标、强度和反射率。
步骤2中所述的将采集到的隧道管壁点云数据进行拼接处理完成后，需要将完整的隧道管壁点云数中明显偏离隧道管壁的点进行剔除。
步骤4中所述的随机噪声误差最小拟合方法，包括以下步骤：
步骤41：对各个分割后的管环点云数据的中轴线进行拟合，获得管环点云数据的中轴线；
步骤42：沿管环点云数据的中轴线方向提取管环截面点；
步骤43：采用最小二乘拟合法，将提取的管环截面点进行拟合；
步骤44：将提取的管环截面点到拟合的椭圆的距离作为判断阈值，判断管环点云数据是否为非管环内壁点；
步骤45：将管环点云数据中的非管环内壁点进行剔除，得到优化圆管片点云数据。
步骤7中所述的不圆度公式为：
其中，
为圆形隧道的不圆度，
为圆直径集合中的最大直径，
为圆直径
集合中的最小直径，
为圆形隧道内壁理论设计直径。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一、由于本发明采用非接触面式三维激光扫描设备对地铁隧道的隧道管壁点云数据进行获取，使据采集方式更加便捷快速，且三维激光扫描设备对环境光线、温度的要求较低，可以实现在糟糕的工作环境精准的采集数据，可以克服点前技术对环境和光线的依赖性。
第二、由于本发明采用的三维激光扫描设备可以获取高密度海量点云数据，同时采用随机噪声误差最小拟合以及孤点剔除等方法可以使构建的地铁隧道截面形状更趋近于真实模型，不圆度计算精确性高。
附图说明
图1为本发明一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法的静态条件下激光扫描获取的隧道管片点云图；
图2为本发明一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法的拼接完整地铁隧道点云示意图；
图3为本发明一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法的地铁隧道管片中截面点云示意图；
图4为本发明一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法的地铁隧道圆直径计算示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
以地铁隧道为研究核心，结合图1和图2，利用本发明提供的一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法对其地铁隧道的不圆度进行分析计算，主要包括以下步骤：
步骤1：沿隧道中心轴线，通过三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据；
步骤2：将采集到的隧道管壁点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道管壁点云数据；
步骤3：以管环为单元，将完整的隧道管壁点云数据进行分割，得到分割后的管环点云数据；
步骤4：采用随机噪声误差最小拟合方法对分割后的每一个管环点云数据进行拟合，得到优化圆管片点云数据；
步骤5：对各个优化圆管片点云数据进行截取，获得管环截面点云切片；
步骤6：对管环截面点云切片进行拟合，获得几何中心；
步骤7：以拟合的各个优化圆管片点云数据的几何中心作为圆心，过几何中心计算各个优化圆管片点云数据的任意截面的圆直径集合；
步骤8：通过对各个圆直径集合中的直径数据进行对比，获得圆直径集合中的最大直径和最小直径；
步骤9：将圆直径集合中的最大直径和最小直径带入不圆度公式中，得到地铁隧道不圆度值。
基于上述步骤，由于三维激光扫描设备可以通过主动发射激光、无需接触即可获得目标体表面高密度的三维数据，快速地对目标体实现数字信息化，并采用随机噪声误差最小拟合方法对数字信息化后的隧道点云数据进行降噪处理，将不合理的离群点进行剔除，提高数据质量。基于该高质量数据，同时采用不圆度公式计算，实现对地铁隧道不圆度的快速、准确检测，该方法对环境管线、温度等要求低。
实施例2：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，在步骤1中，沿隧道中心轴线，通过三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据时，选择隧道设计中心轴线作为隧道中心轴线，有利于提高后续检测过程的准确率。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，通过三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据中，包括以下步骤：
步骤11：沿隧道中心轴线，根据隧道形式在隧道中建立观测站，若隧道形式为直线段，则执行步骤12，否则，直线步骤13；
步骤12：若隧道形式为直线段，则沿隧道中心轴线，从隧道中心轴线起始环开始，每15~20环设置一个扫描测站，至隧道中心轴线终止环结束；
步骤13：若隧道形式不为直线段，则沿隧道中心轴线，从隧道中心轴线起始环开始，每10~15环设置一个扫描测站，至隧道中心轴线终止环结束；
步骤14：在观测站上架设三维激光扫描设备，并利用三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据。
基于上述步骤，本实施例采用的隧道形式为不仅包括直线段，同时包括非直线段，选择每15环设置一个扫描测站，扫描长度为各扫描测站两端各20m~25m，以此设置基本保证整个地铁隧道的隧道管壁点云数据采集的完整性。
实施例4：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，在通过三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据中，隧道管壁点云数据包括空间三维坐标、强度和反射率，这些数据可以为后续的不圆度分析提供充足的数据资源。
实施例5：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，在采集到的隧道管壁点云数据在拼接处理完成后，需要将完整的隧道管壁点云数中明显偏离隧道管壁的点进行剔除，为后续建模提供高质量的表面点云数据。
实施例6：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，结合图3，用随机噪声误差最小拟合方法对分割后的管环点云数据进行拟合，随机噪声误差最小拟合方法包括以下步骤：
步骤41：对各个分割后的管环点云数据的中轴线进行拟合，获得管环点云数据的中轴线；
步骤42：沿管环点云数据的中轴线方向提取管环截面点；
步骤43：采用最小二乘拟合法，将提取的管环截面点拟合为现状圆；
步骤44：将提取的管环截面点到拟合的椭圆的距离作为判断阈值，判断管环点云数据是否为非管环内壁点；
步骤45：将管环点云数据中的非管环内壁点进行剔除，得到优化圆管片点云数据。
本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，在采集到的隧道管壁点云数据采用随机噪声误差最小方法拟合获得优化圆管片点云数据，将圆管片点云数据质量进一步提高，有利于后续计算的准确率的提升，保证数据质量和计算结果的准确性。
实施例7：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，结合图4，将圆直径集合中的最大直径和最小直径带入不圆度公式中，所采用的不圆度公式为：
其中，
为圆形隧道的不圆度，
为圆直径集合中的最大直径，
为圆直径集
合中的最小直径，
为圆形隧道内壁理论设计直径。
根据上述计算过程，本实施例中拟合圆直径集合几何的直径为d = {6.4265,6.407, 6.413, 6.399, ……, 6.410, 6.383,6.418}，其中最大直径d max =6.4265，最小直径d min =6.383，设计的理论直径D=6.4，由此计算出本实施例中的地铁隧道不圆度为T=6.8‰，通过获取准确的隧道不圆度参数，可以及时掌握隧道变形情况，有助于防止安全隐患事故发生，为此地铁隧道展开进一步的预防维护规划提供参考依据。本实施例的所采用的仿真条件如下：
在中央处理器为Intel(R) Core(TM) i7-5500 3.40GHz、内存8G、WINDOWS7操作系统上，基于该过程，运用Amberg软件进行仿真分析。
由上述实施例，本发明提出的一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法可以克服当前技术针对地铁隧道无法兼顾检测效率与检测精度，圆环点稀少、识别困难、观测偏离等问题，不能精确得到隧道稳定性判别参数，难以准确反映隧道实际变化情况的问题，实现了一种对环境、光线依赖性低、在作业效率与成果精度双方面优势明显的隧道不圆度检测方法。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法，其特征在于，包括如下步骤；
步骤1：沿隧道中心轴线，通过三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据；
步骤2：将采集到的隧道管壁点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道管壁点云数据；
步骤3：以管环为单元，将完整的隧道管壁点云数据进行分割，得到分割后的管环点云数据；
步骤4：采用随机噪声误差最小拟合方法对分割后的每一个管环点云数据进行拟合，得到优化圆管片点云数据；
步骤5：对各个优化圆管片点云数据进行截取，获得管环截面点云切片；
步骤6：对管环截面点云切片进行拟合，获得几何中心；
步骤7：以拟合的各个优化圆管片点云数据的几何中心作为圆心，过几何中心计算各个优化圆管片点云数据的任意截面的圆直径集合；
步骤8：通过对各个圆直径集合中的直径数据进行对比，获得圆直径集合中的最大直径和最小直径；
步骤9：将圆直径集合中的最大直径和最小直径带入不圆度公式中，得到地铁隧道不圆度值；
所述的步骤1中的隧道中心轴线为隧道设计中心轴线；步骤1中所述的通过三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据，
包括以下步骤：
步骤11：沿隧道中心轴线，根据隧道形式在隧道中建立观测站，若隧道形式为直线段，则执行步骤12，否则，直线步骤13；
步骤12：若隧道形式为直线段，则沿隧道中心轴线，从隧道中心轴线起始环开始，每15～20环设置一个扫描测站，至隧道中心轴线终止环结束；
步骤13：若隧道形式不为直线段，则沿隧道中心轴线，从隧道中心轴线起始环开始，每10～15环设置一个扫描测站，至隧道中心轴线终止环结束；
步骤14：在观测站上架设三维激光扫描设备，并利用三维激光扫描设备采集隧道管壁点云数据；
步骤1中所述的隧道管壁点云数据包括空间三维坐标、强度和反射率；
所述隧道的形式为不仅包括直线段，同时包括非直线段，选择每15环设置一个扫描测站，扫描长度为各扫描测站两端各20m～25m，以此设置基本保证整个地铁隧道的隧道管壁点云数据采集的完整性。
2.根据权利要求1所述的一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法，其特征在于，步骤2中所述的将采集到的隧道管壁点云数据进行拼接处理完成后，需要将完整的隧道管壁点云数中明显偏离隧道管壁的点进行剔除。
3.根据权利要求1所述的一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法，其特征在于，步骤4中所述的随机噪声误差最小拟合方法，包括以下步骤：
步骤41：对各个分割后的管环点云数据的中轴线进行拟合，获得管环点云数据的中轴线；
步骤42：沿管环点云数据的中轴线方向提取管环截面点；
步骤43：采用最小二乘拟合法，将提取的管环截面点拟合为现状圆；
步骤44：将提取的管环截面点到拟合的椭圆的距离作为判断阈值，判断管环点云数据是否为非管环内壁点；
步骤45：将管环点云数据中的非管环内壁点进行剔除，得到优化圆管片点云数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于静态激光扫描的地铁隧道不圆度检测方法，其特征在于，步骤7中所述的不圆度公式为：
其中，T为圆形隧道的不圆度，dmax为圆直径集合中的最大直径，dmin为圆直径集合中的最小直径，D为圆形隧道内壁理论设计直径。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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