CN110186396B - 一种获取tbm隧洞形貌三维点云数据的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的装置及方法,包括以下步骤:步骤一:TBM始发前,定位主梁上所有的扫描装置;步骤二:停机后,启动扫描装置获取三维点云数据,将各个扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌;步骤三:将获取的三维点云数据截取成两次停机所在的隧道截面之间的长度;步骤四:将基于云台转轴坐标系下的三维点云数据转换成基于大地坐标系下的三维点云数据;步骤五:将处理后的三维点云数据保存到工控机中,并拼接到已完成掘进的隧洞形貌三维点云数据中;步骤六:扫描装置复位,等待下一次扫描开始。本发明解决了施工中TBM主梁阻挡扫描的问题,提供高精度的隧洞形貌三维模型。
Description
技术领域
本发明属于隧道开挖施工领域,具体涉及一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的装置及方法。
背景技术
在TBM隧道施工过程中,开挖后裸露的隧道围岩存在局部塌方的风险,因此需要根据不同的隧道围岩情况对围岩进行不同方式的支护。传统通过肉眼判断开挖后裸露围岩情况的方法,存在效率低、工作量大、安全风险高等缺点,而且无法对隧道截面尺寸进行量化,进而无法得到开挖后隧道的准确信息。
获取刚开挖的隧洞形貌三维点云数据,可得知隧道围岩的情况,可成为一个判断隧道围岩稳定性的指标。与传统方法相比,本发明无需施工人员前去观察,保障了施工人员的安全,具有高精度、高密度、高效率等优点。因此,将获取点云数据技术运用于判断TBM施工中隧道围岩情况,具有良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的装置及方法,通过在TBM上部点、定位,运用倾斜仪确定TBM前进方向,可以得到隧洞形貌完整、精确的点云数据。
为了实现上述目的,本发明提供了一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的方法,包括以下步骤:
步骤一:TBM始发前,定位主梁上所有的扫描装置;
步骤二:停机后,启动扫描装置获取三维点云数据,将各个扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌;
步骤三:将获取的三维点云数据截取成两次停机所在的隧道截面之间的长度;
步骤四:将基于云台转轴坐标系下的三维点云数据转换成基于大地坐标系下的三维点云数据;
步骤五:将处理后的三维点云数据保存到工控机中,并拼接到已完成掘进的隧洞形貌三维点云数据中;
步骤六:扫描装置复位,等待下一次扫描开始。
其中,步骤二所述的将所有扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌,包括以下步骤:
(1)对各个扫描装置获取的点云数据进行去噪,将误扫描点去除;
(2)将各个扫描装置获取的三维点云数据截取各自对应的角度范围α1,α2,α3,其中α1+α2+α3=360°;
(3)将处理后的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌。
其中,Li是工控机中记录的TBM两次停机之间隧道截面圆心的连线距离,θi是二轴倾斜仪测量TBM第i次停机与前一次停机之间的水平方向转角,是二轴倾斜仪测量TBM第i次停机与前一次停机之间的竖直方向转角。
步骤四所述的坐标转换基于二轴倾斜仪测量的转角大小和工控机中记录的TBM两次停机之间隧道截面圆心的连线距离Li;二轴倾斜仪测量TBM每次停机与前一次停机之间水平方向转角θi和竖直方向转角将基于云台转轴坐标系下的点的三维坐标(x0,y0,z0)转换成基于大地坐标系下的点的三维坐标(x1,y1,z1):
其中,假设TBM两次停机的截面平行,大地坐标系下坐标原点和xOy面在TBM始发的隧道截面中,z轴方向是指向TBM刚开始掘进的正前方;云台转轴坐标系与大地坐标系的x、y轴方向相同,z轴方向相反;所述水平方向转角θi为前后两截面中的坐标系原点连线在x'O'z'面投影与z′轴的夹角,所述竖直方向转角为两坐标系原点连线在y'O'z'面投影与z′轴的夹角。
本发明还提供了一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的装置,所述装置包含:
用于获取TBM开挖后刚裸露的隧洞形貌三维点云数据的扫描装置;
用于处理隧洞形貌三维点云数据和获取TBM掘进参数的工控机;
其中,TBM与所述扫描装置和所述工控机连接,用于固定和承载所述扫描装置和所述工控机。
可选的,扫描装置包含:
用于获取各个点到二维扫描仪中激光发射器的距离和角度的二维扫描仪;
用于带动二维扫描仪旋转并提供转轴的旋转角度信息的云台;
用于固定和承载云台和二轴倾斜仪的底座;
其中,底座有预制的螺纹孔,所述二轴倾斜仪和所述云台分别用螺钉固定在所述底座上;所述二维扫描仪由螺钉固定在所述云台顶板。
可选的,三个相同的所述扫描装置固定安装在TBM护盾内的主梁上,所述扫描装置中的底座都焊接在TBM主梁上,三个所述扫描装置在同一竖直截面上呈等腰三角形分布。
本发明提供了一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的装置及方法,对获取的三维点云数据进行去噪、截取、拼接、坐标转换等操作,最终获得基于大地坐标系下的隧洞形貌三维点云数据。本发明解决了施工中TBM主梁阻挡扫描的问题,可以提供高精度、高密度的隧洞形貌三维模型,提高TBM施工效率,降低施工人员所受安全风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案,下面将对本发明的附图做简要介绍。
图1为本发明所述的一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据方法的流程示意图;
图2为本发明所述的将点云的坐标系转换成基于大地坐标系下的三维坐标的计算原理示意图;
图3为本发明所述的获取TBM隧洞形貌三维点云数据的扫描装置的结构示意图;
图4为本发明所述的TBM上扫描装置的安装示意图;
图5为本发明所述的扫描装置安装截面示意图;
附图标记说明
10 隧道截面 11 TBM护盾
12 TBM主梁 20 扫描装置
21 二维扫描仪 22 云台
23 底座 24 二轴倾斜仪
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体装置及实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体装置及实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
图1是本发明的一种实施方式的获取TBM隧洞形貌三维点云数据方法的流程图,如图1所示,该方法可以包括以下步骤:
步骤一:TBM始发前,定位主梁上所有的扫描装置;
步骤二:停机后,启动扫描装置获取三维点云数据,将各个扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌;
步骤三:将获取的三维点云数据截取成两次停机所在的隧道截面之间的长度;
步骤四:将基于云台转轴坐标系下的三维点云数据转换成基于大地坐标系下的三维点云数据;
步骤五:将处理后的三维点云数据保存到工控机中,并拼接到已完成掘进的隧洞形貌三维点云数据中;
步骤六:扫描装置复位,等待下一次扫描开始。
其中,步骤二所述的将所有扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌,包括以下步骤:
(1)对各个扫描装置获取的点云数据进行去噪,将误扫描点去除;
(2)将各个扫描装置获取的三维点云数据截取各自对应的角度范围α1,α2,α3,其中α1+α2+α3=360°;
(3)将处理后的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌。
图2是本发明所述的将点云的坐标系转换成基于大地坐标系下的三维坐标的计算原理示意图,如图2所示,x′Oy′面是TBM掘进过程中前一次停机所在的隧道截面10,xOy面是TBM掘进过程中本次停机所在的隧道截面10;线段AB长Li,是TBM两次停机之间隧道截面圆心的直线距离;将线段AB投影到x'O'z'面和y'O'z'面中,得到直线BD、BE,BD与z′轴的夹角为TBM前进方向的水平方向转角θi,BD在y'O'z'面右边时水平方向转角θi为正,否则水平方向转角θi为负;BE与z′轴的夹角为TBM前进方向的竖直方向转角BE在x'O'z'面上边时竖直方向转角为正,否则竖直方向转角为负,其中,二轴倾斜仪测得水平方向转角θi和竖直方向转角
假设xOy面和x′Oy′面平行,大地坐标系下坐标原点和xOy面在TBM始发的隧道截面,z轴方向是指向TBM刚开始掘进的正前方,设图2中坐标系O′为固定坐标系,坐标系O的坐标原点在坐标系O′中的坐标为(x,y,z),可得以下方程:
解得:
设基于云台转轴坐标系下点的坐标为(x0,y0,z0),基于大地坐标系下点的坐标为(x1,y1,z1),TBM每次停机扫描隧道均需要将坐标系O转换到坐标系O′,因此可得到步骤四所述的坐标转换公式:
其中,云台转轴坐标系与大地坐标系的x、y轴方向相同,z轴方向相反。
图3是本发明的一种实施方式的获取TBM隧洞形貌三维点云数据的扫描装置的结构示意图,如图3所示,该装置可以包括:用于获取各个点到二维扫描仪中激光发射器的距离和角度的二维扫描仪21;用于带动所述二维扫描仪21旋转并提供转轴旋转角度信息的云台22;用于测量TBM每次停机与前一次停机之间水平方向转角θi和竖直方向转角的二轴倾斜仪24;用于固定和承载所述云台22和所述二轴倾斜仪24的底座23;其中,二维扫描仪21用螺钉固定在云台22顶板,底座23有预制的螺纹孔,二轴倾斜仪21和云台22分别用螺钉固定在底座23上。
图4是本发明的一种实施方式的TBM上扫描装置的安装示意图,如图4所示,三个相同的扫描装置20固定安装在TBM护盾11内的主梁12上,扫描装置20中的底座23焊接在TBM主梁12上,三个扫描装置20在同一竖直截面上呈等腰三角形分布。扫描装置22用于获取TBM护盾11后方裸露出来的隧洞形貌的三维点云数据。
图5是本发明的一种实施方式的获取TBM隧洞形貌三维点云数据装置的扫描装置20安装截面示意图,如图5所示,图中虚线是单个二维扫描仪21可扫描的范围,其大小为190°;每个二维扫描仪21的扫描范围均与两边的的扫描范围有重叠,因此需要将每个扫描装置获取的三维点云数据截取成一定的角度范围,如图5所示,实线为各个扫描装置获取的三维点云数据截取后的扫描范围α1,α2,α3,其截取要求为α1+α2+α3=360°。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施装置及方法,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的方法,其特征在于,获取三维点云数据包括以下步骤:
步骤一:TBM始发前,定位主梁上所有的扫描装置;
步骤二:停机后,启动扫描装置获取三维点云数据,将各个扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌;
步骤三:将获取的三维点云数据截取成两次停机所在的隧道截面之间的长度;
其中,Li是工控机中记录的TBM两次停机之间隧道截面圆心的连线距离,θi是二轴倾斜仪测量TBM第i次停机与前一次停机之间的水平方向转角,是二轴倾斜仪测量TBM第i次停机与前一次停机之间的竖直方向转角;
步骤四:将基于云台转轴坐标系下的三维点云数据转换成基于大地坐标系下的三维点云数据;
步骤四中的坐标转换基于二轴倾斜仪测量的转角大小和工控机中记录的TBM两次停机之间隧道截面圆心的连线距离Li;二轴倾斜仪测量TBM每次停机与前一次停机之间水平方向转角θi和竖直方向转角将基于云台转轴坐标系下的点的三维坐标(x0,y0,z0)转换成基于大地坐标系下的点的三维坐标(x1,y1,z1):
其中,假设TBM两次停机的截面平行,大地坐标系下坐标原点和xOy面在TBM始发的隧道截面中,z轴方向是指向TBM刚开始掘进的正前方;云台转轴坐标系与大地坐标系的x、y轴方向相同,z轴方向相反;所述水平方向转角θi为前后两截面中的坐标系原点连线在x'O'z'面投影与z′轴的夹角,所述竖直方向转角为两坐标系原点连线在y'O'z'面投影与z′轴的夹角;
步骤五:将处理后的三维点云数据保存到工控机中,并拼接到已完成掘进的隧洞形貌三维点云数据中;
步骤六:扫描装置复位,等待下一次扫描开始。
2.根据权利要求1所述的一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的方法,其特征在于,步骤二所述的将各个扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌,包括以下步骤:
(1)对各个扫描装置获取的点云数据进行去噪,将误扫描点去除;
(2)将各个扫描装置获取的三维点云数据截取各自对应的角度范围a1,a2,α3,其中α1+α2+a3=360°;
(3)将处理后的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌。
3.一种应用于权利要求1所述的获取TBM隧洞形貌三维点云数据的方法的装置,其特征在于,所述装置包含:
用于获取TBM开挖后刚裸露的隧洞形貌三维点云数据的扫描装置;
用于处理隧洞形貌三维点云数据和获取TBM掘进参数的工控机;
其中,TBM与所述扫描装置和所述工控机连接,用于固定和承载所述扫描装置和所述工控机。
5.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,三个相同的所述扫描装置固定安装在TBM护盾内的主梁上,所述扫描装置中的底座都焊接在TBM主梁上,三个所述扫描装置在同一竖直截面上呈等腰三角形分布。
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Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110726726A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-01-24 | 中南大学 | 一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测方法及系统 |
CN115375859B (zh) * | 2022-08-01 | 2024-07-02 | 长江三峡勘测研究院有限公司(武汉) | 一种tbm隧洞围岩三维影像采集方法及装置 |
CN115017831B (zh) * | 2022-08-08 | 2022-11-04 | 南京邮电大学 | 基于绝对方位控制的隧洞影像建模方法、装置 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020071038A1 (en) * | 2000-12-07 | 2002-06-13 | Joe Mihelcic | Method and system for complete 3D object and area digitizing |
CN104792274A (zh) * | 2015-04-02 | 2015-07-22 | 同济大学 | 一种圆形隧道收敛变形的测量方法 |
CN107178377A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-09-19 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 适应快速施工通道的矿山法隧道底部结构及其施工方法 |
CN108593654A (zh) * | 2018-03-28 | 2018-09-28 | 北京交通大学 | 隧道图像采集系统及方法 |
US20180356213A1 (en) * | 2016-09-14 | 2018-12-13 | Hangzhou Scantech Co., Ltd | Three-dimensional sensor system and three-dimensional data acquisition method |
CN109186480A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-01-11 | 成都理工大学 | 基于双护盾tbm工艺的隧道围岩扫描与观测系统 |
CN109405871A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-03-01 | 清华大学 | 基于双护盾tbm施工隧道中的围岩观测系统 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3485300B2 (ja) * | 1998-10-28 | 2004-01-13 | 鹿島建設株式会社 | 画像処理によるtbm掘削ずり状態計測方法及び装置 |
CN203479269U (zh) * | 2013-09-29 | 2014-03-12 | 上海嘉珏实业有限公司 | 一种隧道横断面形状测量装置 |
KR20150139108A (ko) * | 2014-06-02 | 2015-12-11 | 삼성물산 주식회사 | Tbm 전방 스캐너 |
CN207991458U (zh) * | 2018-04-17 | 2018-10-19 | 中铁工程装备集团有限公司 | 全自动隧道掘进机盾体圆度测量装置 |
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2019
- 2019-06-05 CN CN201910486552.0A patent/CN110186396B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020071038A1 (en) * | 2000-12-07 | 2002-06-13 | Joe Mihelcic | Method and system for complete 3D object and area digitizing |
CN104792274A (zh) * | 2015-04-02 | 2015-07-22 | 同济大学 | 一种圆形隧道收敛变形的测量方法 |
US20180356213A1 (en) * | 2016-09-14 | 2018-12-13 | Hangzhou Scantech Co., Ltd | Three-dimensional sensor system and three-dimensional data acquisition method |
CN107178377A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-09-19 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 适应快速施工通道的矿山法隧道底部结构及其施工方法 |
CN108593654A (zh) * | 2018-03-28 | 2018-09-28 | 北京交通大学 | 隧道图像采集系统及方法 |
CN109186480A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-01-11 | 成都理工大学 | 基于双护盾tbm工艺的隧道围岩扫描与观测系统 |
CN109405871A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-03-01 | 清华大学 | 基于双护盾tbm施工隧道中的围岩观测系统 |
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