CN110260785A - 基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统 - Google Patents

基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统 Download PDF

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武威
朱合华
王熙
陈力康
张可珅
金瑞
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Abstract

本发明涉及一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，包括：掌子面三维激光扫描装置，采用三维激光扫描技术，记录三维点云数据，并对外发送；后台非连续数值分析装置，进行点云数据的三维重构和信息自动提取，建立三维非连续数值模型并进行分析，将分析结果通过数据远程传输模块反馈给位于施工现场的移动终端；岩体隧道数据远程传输装置，分别连接掌子面三维激光扫描装置、移动终端和后台非连续数值分析装置，用于转发数据。与现有技术相比，本发明实现岩体隧道掌子面信息精细化和快速获取、分析及反馈，可有效保障施工质量、安全和进度。

Description

基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统
技术领域
本发明涉及岩体隧道工程技术领域，尤其是涉及一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统。
背景技术
结构面在岩体中广泛存在，且对岩体力学参数和稳定性有显著影响。岩体隧道掌子面中重要结构面信息的精细化和快速的获取、分析及反馈可直接影响隧道施工的质量、安全和进度。目前对掌子面信息采集主要是通过肉眼观察和手工记录，这种方式精度差且易受环境和人员主观因素影响。所采集的信息需要传输到数值分析的后端以快速分析得到结果反馈给现场，而目前缺少对岩体隧道掌子面信息精细化和快速获取、分析及反馈的系统
中国专利CN106092325A公开了一种获取隧道掌子面节理信息的系统及方法，包括金属粉供应装置和视频图像采集模块，利用金属粉氧化反应的强放热性，改变节理处的热分布场，用以区分节理与掌子面其他岩体。但其测量需要将掌子面用金属粉覆盖且需待其充分反应，测量效率相对较低，且仅能得到节理的二维面上的信息。
中国专利CN106225770A公开了一种隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法及系统，利用摄像装置、红外测温仪、激光测距仪获取掌子面结构面和纹理特征并建立三维地质结构模型。但仅能得到节理二维面上的信息，摄像装置需有照明装置辅助，易受现场环境影响。
现有的与本发明相近的技术仅能得到掌子面表面二维图像信息，易受现场环境影响，仅有信息采集和节理识别的功能，在信息的精细化采集、快速传输、分析和反馈方面还有很大欠缺。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，包括：
掌子面三维激光扫描装置，采用三维激光扫描技术，记录三维点云数据，并对外发送；
后台非连续数值分析装置，进行点云数据的三维重构和信息自动提取，建立三维非连续数值模型并进行分析，将分析结果通过数据远程传输模块反馈给位于施工现场的移动终端；
岩体隧道数据远程传输装置，分别连接掌子面三维激光扫描装置、移动终端和后台非连续数值分析装置，用于转发数据。
所述系统还包括用于承载掌子面三维激光扫描装置并调整掌子面三维激光扫描装置的高度和位置的伸缩支架，所述掌子面三维激光扫描装置固定于伸缩支架上。
所述后台非连续数值分析装置包括：
前处理模块，用于进行点云数据的三维重构和信息自动提取，建立三维非连续数值模型；
三维数值模型分析模块，与前处理模块连接，用于基于关键块理论和非连续变形分析等数值方法对三维非连续数值模型进行稳定性分析；
后处理模块，与三维数值模型分析模块连接，用于将稳定性分析结果通过岩体隧道数据远程传输装置反馈给现场。
所述前处理模块包括：
结构面产状的自动提取单元，基于点云数据提取结构面产状；
结构面迹线的自动提取单元，基于点云数据提取结构面迹线；
模型建立单元，分别与结构面产状的自动提取单元和结构面迹线的自动提取单元连接，用于根据结构面产状与结构面迹线建立三维非连续数值模型。
所述结构面产状的提取过程具体包括：
步骤A1：基于点云数据得到三角网数据，并采用基于样本密度和有效性指标分析的K-均值算法进行自动化分组；
步骤A2：对同一组结构面根据相邻关系及其之间的夹角进行分割及优化；
步骤A3：运用随机抽样一致性平面拟合算法拟合分割后的结构面点云；
步骤A4：通过掌子面三维激光扫描装置姿态参数将结构面的法向量转换到世界坐标下表示并计算得到结构面产状。
所述结构面迹线的提取过程具体包括：
步骤B1：在三角网格上提取组成迹线的初始特征点；
步骤B2：对初始特征点一次进行分组、生长算法提取迹线片段、连接迹线片段和线性化迹线优化处理，得到结构面迹线。
所述岩体隧道数据远程传输装置包括洞口中继设备和多个隧道内中继设备，所述洞口中继设备和各隧道内中继设备组成局域网络，并通过广域网与后台非连续数值分析装置连接。
所述三维点云数据包括三维坐标、反射率和纹理信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过三维激光扫描装置快速获取大量精细化的掌子面点云信息，通过远程数据传输模块快速传送至后端非连续数值分析模块进行分析并反馈给现场，实现岩体隧道掌子面信息精细化和快速获取、分析及反馈，可有效保障施工质量、安全和进度。
2)采用“分组”、“生长算法提取迹线片段”、“连接迹线片段”和“线性化迹线”这四步优化处理技术，可解决由于岩体表面凹凸不平导致提取出的迹线短小等问题，提取出的迹线更加连续、贯通，符合实际的节理情况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为岩体隧道数据远程传输装置的示意图；
图3为后台非连续数值分析装置的示意图；
其中：1、掌子面三维激光扫描装置，2、岩体隧道数据远程传输装置，3、后台非连续数值分析装置，4、移动终端，5、广域网，21、洞口中继设备，22、隧道内中继设备，31、前处理模块，32、三维数值模型分析模块，33、后处理模块，34、关键块分析单元，35、非连续变形分析单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，如图1所示，包括：
掌子面三维激光扫描装置1，采用三维激光扫描技术，记录三维点云数据，并对外发送，其中，三维点云数据包含了掌子面表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息；
后台非连续数值分析装置3，进行点云数据的三维重构和信息自动提取，建立三维非连续数值模型并进行分析，将分析结果通过数据远程传输模块反馈给位于施工现场的移动终端4；
岩体隧道数据远程传输装置2，分别连接掌子面三维激光扫描装置1、移动终端4和后台非连续数值分析装置3，用于转发数据。
系统还包括用于承载掌子面三维激光扫描装置1并调整掌子面三维激光扫描装置1的高度和位置的伸缩支架，掌子面三维激光扫描装置1固定于伸缩支架上。
如图3所示，后台非连续数值分析装置3包括：
前处理模块31，用于进行点云数据的三维重构和信息自动提取，建立三维非连续数值模型；
三维数值模型分析模块32，与前处理模块31连接，用于基于关键块理论和非连续变形分析等数值方法对三维非连续数值模型进行稳定性分析，具体的，可以配置关键块分析单元34和非连续变形分析单元35，根据关键块体理论对隧道围岩的稳定性进行大范围的快速评估，根据非连续变形分析理论进行局部精细化的公路隧道围岩(硬岩)非连续动力学计算；
后处理模块33，与三维数值模型分析模块32连接，用于将稳定性分析结果通过岩体隧道数据远程传输装置2反馈给现场。
前处理模块31包括：
结构面产状的自动提取单元，基于点云数据提取结构面产状；
结构面迹线的自动提取单元，基于点云数据提取结构面迹线；
模型建立单元，分别与结构面产状的自动提取单元和结构面迹线的自动提取单元连接，用于根据结构面产状与结构面迹线建立三维非连续数值模型。
结构面产状的提取过程具体包括：
步骤A1：基于点云数据得到三角网数据，并采用基于样本密度和有效性指标分析的改进K-均值算法进行自动化分组；
步骤A2：对同一组结构面根据相邻关系及其之间的夹角进行分割及优化；
步骤A3：运用随机抽样一致性平面拟合算法拟合分割后的结构面点云；
步骤A4：通过掌子面三维激光扫描装置1姿态参数将结构面的法向量转换到世界坐标下表示并计算得到结构面产状。
前处理模块根据点云数据提取岩体结构面与岩体表面相交产生的可测量性线，即迹线，结构面迹线的提取过程具体包括：
步骤B1：采用基于张量投票理论的特征提取的鲁棒性算法，在三角网格上提取组成迹线的初始特征点；
步骤B2：采用“分组”、“生长算法提取迹线片段”、“连接迹线片段”和“线性化迹线”这四步优化处理技术，可解决由于岩体表面凹凸不平导致提取出的迹线短小等问题，提取出的迹线更加连续、贯通，符合实际的节理情况。
如图2所示，岩体隧道数据远程传输装置2包括洞口中继设备22和多个隧道内中继设备21，洞口中继设备22和各隧道内中继设备21组成局域网络，并通过广域网5与后台非连续数值分析装置3连接，其中隧道内中继设备21采用无线网桥点对点微波传输和无线网桥+AP点对多点WiFi传输，优选的，有线中继设备采用光纤传输。
具体实施时，三维激光扫描装置采用的是徕卡ScanStation P30，其测距精度可达1.2mm+10ppm，测角精度可达±8秒。进行隧道掌子面扫描时，将激光扫描仪架立于掌子面正前方10m左右，按照测平的水平，不断调整支架直至将三脚架顶部调整至水平，并使脚架固定好。设置其扫描精度为1.6mm@10m，并设置掌子面区域的扫描角度，对测区掌子面进行高密度扫描，完成整个掌子面的扫描大约用时2min。三维激光扫描技术相对于传统的测量技术具有：(1)不需进对扫描目标物体行任何表面处理，真实性高；(2)采样点速率可达到十万点/秒，数据采样率高；(3)主动发射扫描光源，可以实现不受扫描环境的时间和空间的约束；(4)可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，快速、高精度获取海量点云数据，具有高分辨率、高精度的特点；(5)全数字特征的数字化采集，兼容性好，后期处理及输出和数据交换及共享等优点。
如图2所示，岩体隧道数据远程传输装置2包括现场数据发射终端、隧道内无线中继设备和有线中继设备、洞口中继设备和有线或无线互联网。其主要功能：(1)将施工前线的扫描等大数据快速传出；(2)在隧道里面建立WiFi，使手机和笔记本电脑等终端接入互联网以方便接收数据分析结果。无线中继设备主要包括无线网桥点对点微波传输和无线网桥+AP点对多点建立WiFi，无线网桥点对点微波传输用于掌子面附近和洞口等不宜布线处，采用无线网桥点对点微波传输交大数据，使用无线网桥+AP点对多点建立WiFi，在宜布线处采用光纤传输降低成本。

Claims (8)

1.一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，其特征在于，包括：
掌子面三维激光扫描装置(1)，采用三维激光扫描技术，记录三维点云数据，并对外发送；
后台非连续数值分析装置(3)，进行点云数据的三维重构和信息自动提取，建立三维非连续数值模型并进行分析，将分析结果通过数据远程传输模块反馈给位于施工现场的移动终端(4)；
岩体隧道数据远程传输装置(2)，分别连接掌子面三维激光扫描装置(1)、移动终端(4)和后台非连续数值分析装置(3)，用于转发数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，其特征在于，所述系统还包括用于承载掌子面三维激光扫描装置(1)并调整掌子面三维激光扫描装置(1)的高度和位置的伸缩支架，所述掌子面三维激光扫描装置(1)固定于伸缩支架上。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，其特征在于，所述后台非连续数值分析装置(3)包括：
前处理模块(31)，用于进行点云数据的三维重构和信息自动提取，建立三维非连续数值模型；
三维数值模型分析模块(32)，与前处理模块(31)连接，用于基于关键块理论和非连续变形分析等数值方法对三维非连续数值模型进行稳定性分析；
后处理模块(33)，与三维数值模型分析模块(32)连接，用于将稳定性分析结果通过岩体隧道数据远程传输装置(2)反馈给现场。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，其特征在于，所述前处理模块(31)包括：
结构面产状的自动提取单元，基于点云数据提取结构面产状；
结构面迹线的自动提取单元，基于点云数据提取结构面迹线；
模型建立单元，分别与结构面产状的自动提取单元和结构面迹线的自动提取单元连接，用于根据结构面产状与结构面迹线建立三维非连续数值模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，其特征在于，所述结构面产状的提取过程具体包括：
步骤A1：基于点云数据得到三角网数据，并采用基于样本密度和有效性指标分析的K-均值算法进行自动化分组；
步骤A2：对同一组结构面根据相邻关系及其之间的夹角进行分割及优化；
步骤A3：运用随机抽样一致性平面拟合算法拟合分割后的结构面点云；
步骤A4：通过掌子面三维激光扫描装置(1)姿态参数将结构面的法向量转换到世界坐标下表示并计算得到结构面产状。
6.根据权利要求4所述的一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，其特征在于，所述结构面迹线的提取过程具体包括：
步骤B1：在三角网格上提取组成迹线的初始特征点；
步骤B2：对初始特征点一次进行分组、生长算法提取迹线片段、连接迹线片段和线性化迹线优化处理，得到结构面迹线。
7.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，其特征在于，所述岩体隧道数据远程传输装置(2)包括洞口中继设备(22)和多个隧道内中继设备(21)，所述洞口中继设备(22)和各隧道内中继设备(21)组成局域网络，并通过广域网与后台非连续数值分析装置(3)连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的岩体隧道掌子面分析反馈集成系统，其特征在于，所述三维点云数据包括三维坐标、反射率和纹理信息。
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