CN110427696A - 一种适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法，包括以下步骤：步骤1：根据隧道设计断面中圆弧或直线要素数据，在设计坐标系中建立参数模型；分别计算出每个要素端点的方向角；步骤2：根据在隧道线路中线上指定的里程和该里程处的切线方向得到该里程处的断面点集；步骤3：将断面点集和参数模型在设计坐标系中对齐；步骤4：寻找断面点集和参数模型的对应关系；步骤5：设置初支侵限阈值，针对一个里程处或一个里程段内的隧道初支面Lidar点云进行预警分析；本发明基于隧道设计文件中断面曲线或直线要素进行点云初支面预警分析，适用于不同断面类型的隧道，可对任意断面里程处进行全断面分析，也可对任意里程范围进行整体分析。

Description

一种适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法

技术领域

本发明涉及点云初支面预警方法，具体涉及一种适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法。

背景技术

随着三维激光扫描技术的发展，该技术具有扫描速度快，获取点云精度高，受光线气候等外界环境影响小等优势，在隧道初支面预警等隧道监控量测方面具有很好的应用前景。由于隧道初支面是隧道施工安全和质量的重要保障，于是从隧道Lidar点云中对隧道初支面进行监控量测并对超限部位进行预警是隧道施工过程中安全监控的核心基础问题。

与传统的全站仪监测方法相比，基于Lidar点云的隧道初支面预警方法一般可分为基于断面的处理方法和基于模型重建的处理方法两类。基于模型重建的处理方法对非隧道初支面Lidar点云敏感、不抗噪，并且为贴近隧道的真实形状而采用更复杂的拟合模型导致时间复杂度高，而基于断面的处理方法容易忽略断面之间存在的侵限情况。

如现有公开号为CN105756711A的专利公开了一种基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，该方法先基于隧道设计图和Revit软件建立三维隧道模拟模型，再基于预处理后的隧道Lidar点云建立三维隧道测量模型；最后将三维隧道模拟模型和三维隧道测量模型导入3D Reshaper软件中进行嵌套，将初支点的测量坐标和图纸坐标分别带入所述三维隧道测量模型和所述三维隧道模拟模型并做差，计算初支单点的侵限坐标差值，通过差值建立隧道三维色谱图。这种方法依赖多家商业软件，作业成本高、自动化程度低，且需要对预处理后的隧道Lidar点云建立三维隧道测量模型，这个过程耗时，对缺失的部分隧道点云建立测量模型算法误差大。

如现有公开号为CN109470205A的专利公开了一种用于判定隧道超欠挖的测量方法，该方法通过获取隧道断面轮廓的设计图，建立平面坐标系；再将获得的隧道断面轮廓的激光点云数据转换至平面坐标系中，计算出每个激光点云数据的坐标方位角，并获得该激光云数据所在的圆弧段，最后计算出该激光点云数据的超欠挖数值。该方法不能处理隧道设计文件中断面要素包含直线段的情况，如方形隧道；并且容易忽略隧道断面轮廓之间的隧道部位初支面的侵限情况。

如现有公开号为CN106930784A的专利公开了一种基于三维激光扫描的隧道监控方法，该方法先根据隧道围岩等级和现场施工方案设置多个里程不同的监控测量断面，并在各监控测量断面上设置多个监测点；然后根据隧道设计的平曲线和竖曲线找到各监控测量断面在预处理后得到的整体点云数据中的对应位置，即得到各监测点在整体点云数据中所在的位置，进而从整体点云数据中以监测点为中心，提取一定范围的点云数据，对提取的点云数据进行正态拟合，计算得到各断面的拱顶沉降值和周边收敛值。该方法不能对任意里程处隧道初支面进行监控量测，并且测量断面上监测点位有限，不能进行全断面预警监测。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题提供一种适用于不同断面类型隧道，可对任意断面里程处进行全断面分析的适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法。

本发明采用的技术方案是：一种适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法，包括以下步骤：

步骤1：根据隧道设计断面中圆弧或直线要素数据，在设计坐标系中建立参数模型；以原点到天顶方向的反方向为起始方向，顺时针递增，分别计算出每个要素端点的方向角；

步骤2：根据在隧道线路中线上指定的里程和该里程处的切线方向获得该里程处的断面点集；

步骤3：将断面点集和参数模型在设计坐标系中对齐；

步骤4：将断面点集中每个点在步骤1构建的参数模型中分别计算对应于每个要素的方向角；并判断该方向角是否在步骤1计算得到的方向角范围内，若在该范围内，则该点对应于参数模型中的点，并计算对应的偏差；否则该点不对应；遍历断面点集中所有点；

步骤5：设置初支侵限阈值，针对一个里程处或一个里程段内的隧道初支面Lidar点云，若偏差大于设定阈值，则为侵限；否则为合格。

进一步的，所述步骤1中的参数模型如下：

式中：i为设计断面中的参数要素，P_i'为第i个参数要素模型；Q为横坐标，Z为纵坐标，a、b和R为圆弧要素参数，A、B和C均为直线要素参数，δ_iS为第i个要素的开始方向角，δ_iE为第i个要素的终止方向角，n为设计断面中参数要素数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明与现有的基于模型重建的分析方法相比，无需确保基于模型重建分析方法建立的测量模型是否真实反映隧道初支面的真实情况，避免了采用高次拟合模型进行模型重建带来高时间消耗的问题；

(2)本发明考虑到现有基于断面分析方法容易忽略断面之间可能存在侵限情况，将基于断面分析方法进行推广，对预处理后的一个里程范围内的隧道初支面Lidar点云进行整体分析，可以得到该里程段范围内的整体侵限情况；

(3)本发明考虑到了隧道设计断面中存在圆弧或直线等多种要素数据，可适用于铁路圆形、马蹄形和方形等断面类型隧道初支面Lidar点云侵限预警分析。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为本发明实施例中隧道设计断面结构图。

图3为本发明实施例中某隧道里程L_k处的隧道初支面Lidar点云预警分析结果。

图4为本发明实施例中某隧道里程段(L_m，L_n)范围内隧道初支面Lidar点云预警分析结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法，包括以下步骤：

步骤1：根据隧道设计断面中圆弧或直线要素数据，在设计坐标系QZ中建立参数模型；以原点到天顶方向的反方向为起始方向，顺时针递增，分别计算出每个要素端点的方向角；

根据隧道设计断面中圆弧或直线要素数据(如图2所示形状隧道断面)，在设计坐标系QZ中建立参数模型P_i'，其中i＝1,2,3，…；以设计坐标系QZ中原点到天顶方向的反方向为起始方向顺时针依次对设计断面中出现的要素建立参数模型，并在参数模型中引入方向角。以原点到天顶方向的反方向为起始方向，顺时针递增，分别计算出每个要素起始的方向角(δ_iS，δ_iE)，其中圆弧段以自身的圆心为原点，直线段以设计坐标系QZ的原点为原点。

参数模型表达式如下：

式中：i为设计断面中的参数要素，P_i'为第i个参数要素模型；Q为横坐标，Z为纵坐标，a、b和R为圆弧要素参数，A、B和C均为直线要素参数，δ_iS为第i个要素的开始方向角，δ_iE为第i个要素的终止方向角，n为设计断面中参数要素数。

步骤2：根据在隧道线路中线上指定的里程L_k(k为里程数)和该里程处的切线方向得到该里程处的断面点集{Q_j,j＝1,2,3...}；j为断面点标号。

步骤3：将断面点集和参数模型在设计坐标系中对齐；

步骤4：将断面点集中每个点在步骤1构建的参数模型中分别计算对应于每个要素的方向角；并判断该方向角是否在步骤1计算得到的方向角范围内，若在该范围内，则该点对应于参数模型中的点，并计算对应的偏差；否则该点不对应；遍历断面点集中所有点；

对齐之后寻找对应关系，对断面点集{Q_j,j＝1,2,3...}中每个点在参数模型中分别计算对应于每个要素的方向角{δ_ji}，并判断δ_ji是否在对应要素方向角的范围内，即δ_iS≤δ_ji≤δ_iE是否成立，若成立则判定该点对应于P_i，并计算对应的偏差。

步骤5：设置初支侵限阈值，针对一个里程处或一个里程段内的隧道初支面Lidar点云，若偏差大于设定阈值，则为侵限；否则为合格。

可针对一个里程处L_k处的隧道初支面Lidar点云进行预警分析，设置初支侵限阈值(一般，侵限阈值设置为0)；若步骤4中的点计算的偏差大于所设定的阈值则为侵限，若步骤4中的点计算的偏差不大于所设置的阈值则为合格；对步骤4中的断面点集进行采样，通过报表和DWG图形输出的方式对侵限里程和侵限位置进行自动报警。

也可对一个里程段(L_m，L_n)范围内隧道初支面Lidar点云进行整体预警分析，设置初支侵限阈值(一般，侵限阈值设置为0)；若步骤4中的点计算的偏差大于所设定的阈值则为侵限，若步骤4中的点计算的偏差不大于所设置的阈值则为合格；根据步骤4计算的偏差赋色，侵限为红色系，合格为蓝色系，侵限的偏差越大颜色越深，通过报表和图像输出的方式对侵限里程和侵限位置进行自动报警。

为了说明本发明的有益效果，以某在建DK479+489.500-DK479+510里程范围内隧道Lidar点云作初支面预警分析测试；结果如图3和图4所示。从图3中可以明显看出DK479+489.500里程处的初支面天顶右侧出现不同程度的侵界；从图4可以看出DK479+489.500-DK479+510里程范围内隧道初支面天顶右侧出现大范围不同程度的侵限。

本发明与现有的基于断面分析和基于模型重建的分析方法相比，无需确保基于模型重建分析方法建立的测量模型是否真实反映隧道初支面的真实情况，避免了采用高次拟合模型进行模型重建带来高时间消耗的问题。基于断面分析方法容易忽略断面之间可能存在侵限情况，将基于断面的分析方法进行推广，对预处理后的一个里程范围内的隧道初支面Lidar点云进行整体分析，可以得到该里程段范围内的整体侵限情况。本发明考虑到了隧道设计断面中存在圆弧或直线等多种要素数据，所以适用于铁路圆形、马蹄形和方形等断面类型隧道初支面Lidar点云侵限预警分析。

Claims (2)

1.一种适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据隧道设计断面中圆弧或直线要素数据，在设计坐标系中建立参数模型；以原点到天顶方向的反方向为起始方向，顺时针递增，分别计算出每个要素端点的方向角；

步骤2：根据在隧道线路中线上指定的里程和该里程处的切线方向获取该里程处的断面点集；

步骤3：将断面点集和参数模型在设计坐标系中对齐；

步骤4：将断面点集中每个点在步骤1构建的参数模型中分别计算对应于每个要素的方向角；并判断该方向角是否在步骤1计算得到的方向角范围内，若在该范围内，则该点对应于参数模型中的点，并计算对应的偏差；否则该点不对应；遍历断面点集中所有点；

步骤5：设置初支侵限阈值，针对一个里程处或一个里程段内的隧道初支面Lidar点云，若偏差大于设定阈值，则为侵限；否则为合格。

2.根据权利要求1所述的一种适应不同断面的隧道Lidar点云初支面预警方法，其特征在于，所述步骤1中的参数模型如下：

式中：i为设计断面中的参数要素，P_i'为第i个参数要素模型；Q为横坐标，Z为纵坐标，a、b和R为圆弧要素参数，A、B和C均为直线要素参数，δ_iS为第i个要素的开始方向角，δ_iE为第i个要素的终止方向角，n为设计断面中参数要素数。