CN110887460A - 一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法及系统，其方法包括检测小车在隧道内轨道上所在位置对应的里程计数；扫描仪对隧道内壁进行扫描并获取隧道断面的原始数据信息，同时还分别记录小车进出隧道时对应的扫描仪时间；工控机记录小车在隧道内轨道上任一点对应的工控机时间信息，并确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间；以确定对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息。本发明基于扫描仪和里程计实现隧道监测，大大提高了监测效率，降低成本，在外业测量中能提高数十倍的测量速度，在内业处理中，简化了处理流程，无需在模型上进行切割，也无需轨道中心线即可得到隧道断面结果。

Description

一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道监测技术领域，尤其涉及一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法及系统。

背景技术

隧道变形监测，通常是获取隧道扫描的点云数据，对某个需要监测的隧道位置进行对比分析。这样，我们需要获取的就是某一处隧道的隧道断面点云数据，必须能够对这一处隧道的位置进行精确定位。

传统的测站式三维激光扫描方法是最终获取的三维点云数据绝对坐标，将数据展示到一起能够呈现出真正的物体位置和形状、大小，所以，通过切割出这个三维点云模型上某一处位置的断面，能得到断面的实际位置数据，并且可以实现监测对比的需要。但是，切割这种生成的绝对坐标数据的三维点云，需要有隧道的线形文件，通过线形文件提供的中心线来确定某一位置上的垂直面，从而插值得到断面数据。如果不能提供准确的隧道线形文件，则需要人工干预或者编写更复杂的算法来提取相应的隧道断面，效果可能会不好。

目前，使用三维激光扫描仪进行隧道变形监测的方法是用测站式扫描，一站一站地进行隧道扫描，然后把数据拼接起来。如果扫描仪本身不支持全站仪后视的方法来获得中心坐标，则我们只能利用每一站测出的公共点坐标进行坐标转换拼接，得到的隧道点云数据精度较低，效果较差，并且成本也很高。由于测站式扫描扫描密度大，每一站需要扫描较长时间，而移动测站又比较麻烦。在一个隧道作业的天窗期(2～4小时)，扫描隧道总长度可能还不足100米。这样对于一个较长的隧道，可能需要几十个天窗才能扫完，这样作业成本太高，是对隧道变形监测项目是极为不利的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，包括如下步骤：

设置在小车上的里程计在小车沿着贯穿隧道的轨道移动时检测小车在隧道内轨道上所在位置对应的里程计数；

设置在小车上的扫描仪在小车沿着所述轨道运动至隧道内时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时还分别记录小车进出隧道时对应的扫描仪时间；

设置在小车上的工控机记录小车在隧道内轨道上任一点对应的工控机时间信息，并根据预先对待测隧道标记获取的标记信息、小车所在位置对应的里程计数、工控机时间信息以及小车进出隧道时对应的扫描仪时间确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间；

所述工控机根据隧道内轨道上任一点的扫描仪时间确定对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息。

本发明的有益效果是：本发明的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，通过扫描仪随着小车在隧道内运动时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时结合里程计和工控机实现三维点云数据定位，从而隧道内轨道上任一点的对应的隧道断面数据信息，实现隧道监测，大大提高了监测效率，降低成本，在外业测量中能提高数十倍的测量速度，在内业处理中，简化了处理流程，无需在模型上进行切割，也无需轨道中心线即可得到隧道断面结果。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间具体包括如下步骤：

根据预先对待测隧道标记获取的标记信息确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系；

根据所述映射关系确定隧道内轨道上任一点对应的里程计数区间，并根据所述里程计数区间确定该点对应的工控机时间；

根据隧道内轨道上任一点对应的工控机时间确定该点对应的扫描仪时间。

上述进一步方案的有益效果是：通过确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系，可以方便确定轨道上任一点所属的里程区间，从而可以便于后续确定对应的工控机时间和扫描仪时间。

进一步：所述根据预先对待测隧道标记获取的标记信息确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系具体包括如下步骤：

在待测隧道的两端外分别标记起点和终点，并在待测隧道内顺着起点和终点标记运行轨道；

分别标定所述起点和终点对应的里程，并获取小车在起点和终点时对应的里程计数；

分别根据所述起点和终点的里程以及对应的里程计数确定隧道内轨道上任一点的里程计数。

上述进一步方案的有益效果是：通过小车在起点和终点的里程和里程计数可以准确确定隧道内轨道上任一点里程与里程计数之间的关系，这样对于任一标定里程的点可以准确确定其里程计数，从而便于后续确定该点所述的里程计数区间。

进一步：所述根据所述映射关系确定隧道内轨道上任一点对应的里程计数区间，并根据所述里程计数区间确定该点对应的工控机时间具体包括如下步骤：

根据隧道内轨道上任一点的里程计数从所述里程计的检测结果中读取其所属的里程计数区间，并从所述工控机时间信息中获取所述里程计数区间对应的工控机时间区间；

根据所述隧道内轨道上任一点的里程计数对应的里程计数区间和对应工控机时间区间确定该点对应的工控机时间。

上述进一步方案的有益效果是：通过隧道内轨道上任一点的里程计区间和对应的工控机时间区间，可以准确确定隧道内轨道上任一点对应的准确工控机时间，从而便于确定对应的扫描仪时间。

进一步：所述根据隧道内轨道上任一点对应的工控机时间确定该点的扫描仪时间具体包括如下步骤：

根据扫描仪记录的小车进出隧道时对应的时间和工控机记录的小车进出隧道时对应的时间确定小车进出待测隧道的工控机时间间隔与小车进出待测隧道的扫描仪时间间隔的比例；

根据所述工控机时间间隔与扫描仪时间间隔的比例确定小车从待测隧道入口至隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间间隔；

根据小车从所述起点运动至待测隧道入口的时间和小车从待测隧道入口至隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间间隔确定隧道内轨道上任一点对应的对应的扫描仪时间。

上述进一步方案的有益效果是：在扫描仪与工控机的式中不同步时，通过确定小车进出待测隧道工控机时间间隔与扫描仪时间间隔的比例可以确定小车从待测隧道入口至隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间间隔，进而可以确定隧道内轨道上任一点对应的对应的扫描仪时间，这样可以便于从扫描仪获取的原始数据信息中找到对应的点云数据信息，以确定该点对应的隧道断面数据信息。

进一步：所述根据隧道内轨道上任一点的扫描仪时间确定对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息具体包括如下步骤：

根据所述扫描仪时间区间从所述扫描仪扫描获取的原始数据信息中读取该点的前半周期和后半周期对应的点云数据信息，得到以该点为中心的螺旋线点云数据信息；

将所述螺旋线点云数据信息投影至该点对应的隧道断面法平面，得到隧道内轨道上该点对应的隧道断面曲线。

上述进一步方案的有益效果是：通过隧道内轨道上任一点的扫描仪时间读取前半周期和后半周期对应的点云数据信息，再投影至对应的端面法平面内，可以得到对应的隧道断面曲线，非常精确。

进一步：所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法还包括如下步骤：

根据所述原始数据信息读取轨道上每个点对应的所述扫描仪时间，确定轨道上每个点对应的里程，并根据轨道上每个点对应的里程和对应的隧道断面曲线建立直线隧道模型。

上述进一步方案的有益效果是：通过轨道上每个点对应的里程和对应的隧道断面曲线建立直线隧道模型，模拟真实的隧道，可以更加直观的了解整个隧道的情况，方便对隧道进行整体监测。

进一步：所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法还包括如下步骤：

根据预先获取的隧道内轨道中心线任一点的三维坐标信息对所述直线隧道模型进行修正，得到真实隧道模型。

进一步：所述对所述直线隧道模型进行修正具体包括如下步骤：

根据预先获取的隧道内轨道中心线任一点的三维坐标信息和轨道中心线上每个点对应的里程确定所述轨道中心线上每个点对应的三维坐标；

根据所述轨道中心线上每个点对应的三维坐标确定扫描仪的中心点与轨道中心线上对应点之间的偏移量以及该点沿着前进方向对应的法平面的旋转角度；

根据扫描仪的中心点与轨道中心线上对应点之间的偏移量以及轨道上每个点对应的法平面的旋转角度对所述直线隧道模型进行修正，得到真实隧道模型。

上述进一步方案的有益效果是：通过隧道内轨道中心线任一点的三维坐标信息可以确定扫描仪的中心点与对应的隧道内轨道中心线任一点之间的偏移量以及该点沿着前进方向对应的法平面的旋转角度，从而可以对所述直线隧道模型进行精确修正，得到真实隧道模型，从而可以模拟真实的隧道对隧道进行监测，非常方便直观。

本发明还提供了一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测系统，包括小车以及设置与小车上的扫描仪、里程计和工控机；

所述小车，用于从待测隧道的一端进入，并在待测隧道内沿着预先标定的轨道运动，从待测隧道的另一端驶出；

所述里程计，用于在小车沿着贯穿待测隧道的轨道移动时检测小车在隧道内轨道上所在位置对应的里程计数并发送至所述工控机；

所述扫描仪，用于在随着小车运动至位于待测隧道内的轨道时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时还分别记录小车进出隧道时对应的时间；

所述工控机，用于记录小车在隧道内轨道上任一点对应的工控机时间信息，还用于根据预先对待测隧道标记获取的标记信息、小车所在位置对应的里程计数、工控机时间信息以及小车进出隧道时对应的扫描仪时间确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间；

所述工控机还用于根据隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间从所述扫描仪扫描获取的原始数据信息中读取该点对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息。

本发明的有益效果是：本发明的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测系统，通过扫描仪随着小车在隧道内运动时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时结合里程计和工控机实现三维点云数据定位，从而隧道内轨道上任一点的对应的隧道断面数据信息，实现隧道监测，大大提高了监测效率，降低成本，在外业测量中能提高数十倍的测量速度，在内业处理中，简化了处理流程，无需在模型上进行切割，也无需轨道中心线即可得到隧道断面结果。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法流程示意图；

图2为本发明一实施例的确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间的方法流程示意图；

图3为本发明一实施例的确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系的方法流程示意图；

图4为本发明一实施例的确定隧道内轨道上任一点对应的工控机时间的方法流程示意图；

图5为本发明一实施例的确定隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间的方法流程示意图；

图6为本发明一实施例的确定隧道内轨道上任一点对应的隧道断面数据信息的方法流程示意图；

图7为本发明另一实施例的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法流程示意图；

图8为本发明又一实施例的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法流程示意图；

图9为本发明又一实施例的对直线隧道模型进行修正的方法流程示意图；

图10为本发明另一实施例的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，包括如下步骤：

S11：设置在小车上的里程计在小车沿着贯穿隧道的轨道移动时检测小车在隧道内轨道上所在位置对应的里程计数；

S12：设置在小车上的扫描仪在小车沿着所述轨道运动至隧道内时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时还分别记录小车进出隧道时对应的扫描仪时间；

S13：设置在小车上的工控机记录小车在隧道内轨道上任一点对应的工控机时间信息，并根据预先对待测隧道标记获取的标记信息、小车所在位置对应的里程计数、工控机时间信息以及小车进出隧道时对应的扫描仪时间确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间；

S14：所述工控机根据隧道内轨道上任一点的扫描仪时间确定对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息。

本发明的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，通过扫描仪随着小车在隧道内运动时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时结合里程计和工控机实现三维点云数据定位，从而隧道内轨道上任一点的对应的隧道断面数据信息，实现隧道监测，大大提高了监测效率，降低成本，在外业测量中能提高数十倍的测量速度，在内业处理中，简化了处理流程，无需在模型上进行切割，也无需轨道中心线即可得到隧道断面结果。

如图2所示，在本发明提供的一个或多个实施例中，所述确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间具体包括如下步骤：

S21：根据预先对待测隧道标记获取的标记信息确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系；

S22：根据所述映射关系确定隧道内轨道上任一点对应的里程计数区间，并根据所述里程计数区间确定该点对应的工控机时间；

S23：根据隧道内轨道上任一点对应的工控机时间确定该点对应的扫描仪时间。

通过确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系，可以方便确定轨道上任一点所属的里程区间，从而可以便于后续确定对应的工控机时间和扫描仪时间。

如图3所示，在本发明提供的一个或多个实施例中，所述根据预先对待测隧道标记获取的标记信息确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系具体包括如下步骤：

S31：在待测隧道的两端外分别标记起点和终点，并在待测隧道内顺着起点和终点标记运行轨道；

S32：分别标定所述起点和终点对应的里程，并获取小车在起点和终点时对应的里程计数；

S33：分别根据所述起点和终点的里程以及对应的里程计数确定隧道内轨道上任一点的里程计数。

首先，在测量小车运动至隧道区间外一端的某个固定点(或特征点，用作参考)处做一个标记，认为是里程计计数的起始点。在这里得到里程计的一个计数为S0。然后在小车刚好进入隧道时，扫描仪开始扫描，记录扫描仪的开始记录时间为t1，同时，里程计也会有个计数，设为S1，得到开始扫描时的里程计数。与里程计关联的工控机也可得到一个时间为T1。这里，小车可以是手推或者是电动驱动的，不影响本发明需要说明的问题。而我们的里程计是脉冲式的，每隔5ms会记录一次脉冲个数，每秒能够得到200个脉冲数的数据，也就是200个里程记录。这个记录足够密集，可以认为在记录间隔间的这段距离里小车是匀速前进的。

当小车运动至刚好驶出隧道时，扫描仪结束扫描，里程计会有一个里程计数，设为S2，而记录扫描仪的结束记录时间为t2，与里程计关联的工控机也可得到一个时间为T2。一般情况下，T2-T1得到的时间间隔ΔT应该是等于t2-t1得到的时间间隔Δt的，但如果扫描仪时钟速率与工控机时钟速率不一致、数据传输延迟、扫描仪内部时钟延迟等问题，这两个值通常情况下是有差别的。若扫描仪不支持外部同步的话，需要通过按比例分配的方式把误差分配下去。

小车继续运动至隧道外另一端的固定点(或特征点，用作参考)，处做一个标记，认为是里程计计数的终止点。在这里对应到里程计的里程计数为S3。

那么，对于隧道某个断面位置，其在轨道上对应的点，可以根据预先标定获取其里程，记为s，根据里程计均匀运转的特性，很容易就能得出，要提取的隧道里程值标记为s的断面处对应的里程计计数应为S＝(s-s0)*(S3-S0)/(s3-s0)+S0。

通过小车在起点和终点的里程和里程计数可以准确确定隧道内轨道上任一点里程与里程计数之间的关系，这样对于任一标定里程的点可以准确确定其里程计数，从而便于后续确定该点所述的里程计数区间。

如图4所示，在本发明提供的一个或多个实施例中，所述根据所述映射关系确定隧道内轨道上任一点对应的里程计数区间，并根据所述里程计数区间确定该点对应的工控机时间具体包括如下步骤：

S41：根据隧道内轨道上任一点的里程计数从所述里程计的检测结果中读取其所属的里程计数区间，并从所述工控机时间信息中获取所述里程计数区间对应的工控机时间区间；

S42：根据所述隧道内轨道上任一点的里程计数对应的里程计数区间和对应工控机时间区间确定该点对应的工控机时间。

在工控机对里程计记录的文字间中，可以找到小车行进的里程技术与工控机时间的对应关系。假设小车是一直前进，没有出现倒车情况，那么里程计的里程技术是从小到大排列的，这样可以利用二分法查找到前一步得到的里程计数S对应的里程计计数区间。假设对应的里程计数区间为[Sq0,Sq1],对应的工控机时间区间为[Tq0,Tq1]，由于在一瞬间可以认为小车为匀速运动，根据匀速直线运动的公式S＝VT，可以得到V＝S/T，可以得到这个时间间隔内的小车速度为V＝(Sq1-Sq0)/(Tq1-Tq0)，从里程计数为S的位置处到里程计数为Sq0的位置处行进的里程计计数差为Sq0-S，进一步可以得到里程计数为S的位置处的时间间隔为ΔTS＝(Sq0-S)/V＝(Sq0-S)/(Sq1-Sq0)*(Tq1-Tq0)。则里程计数为S的位置处对应的工控机时间应为TS＝Tq0+ΔTS＝Tq0+(Sq0-S)/(Sq1-Sq0)*(Tq1-Tq0)。

通过隧道内轨道上任一点的里程计区间和对应的工控机时间区间，可以准确确定隧道内轨道上任一点对应的准确工控机时间，从而便于确定对应的扫描仪时间。

实际中，如果小车不是一直前进，过程中出现了倒车情况。那么这种情况下，里程计的里程计数不是一直从小到大排列的。此时，把里程计获取的文件按照里程计计数的转折点分割开来，分割成多个都是从小到大或者从大到小排列的文件。则对于里程计数S，可以分别将多个文件应用二分法查找到包含里程计数S的N个区间。N小于文件数，大于或等于1。由于某些文件的最大值最小值都大于或者都小于里程计数S，这样就不用二分法查找，实际需要查找的是真正包含里程计数S的文件，计算量并不会增大。在通常情况下，N等于1。但如果S恰好位于小车回撤的区间内，则N大于1。这样，应用上述得到的区间计算公式，可以得到N个S处对应的工控机时间TS。

如图5所示，在本发明提供的一个或多个实施例中，所述根据隧道内轨道上任一点对应的工控机时间确定该点的扫描仪时间具体包括如下步骤：

S51：根据扫描仪记录的小车进出隧道时对应的时间和工控机记录的小车进出隧道时对应的时间确定小车进出待测隧道的工控机时间间隔与小车进出待测隧道的扫描仪时间间隔的比例；

S52：根据所述工控机时间间隔与扫描仪时间间隔的比例确定小车从待测隧道入口至隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间间隔；

S53：根据小车从所述起点运动至待测隧道入口的时间和小车从待测隧道入口至隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间间隔确定隧道内轨道上任一点对应的对应的扫描仪时间。

考虑到误差均匀分配原则，工控机时间间隔对应扫描仪时间间隔的比例P为P＝ΔT/Δt＝(T2-T1)/(t2-t1)。工控机时间TS对应的扫描仪时间间隔为ΔtS＝(TS-T1)/P＝(TS-T1)/(T2-T1)*(t2-t1)。则工控机时间TS对应的扫描仪时间应为tS＝ΔtS+t1＝(TS-T1)/(T2-T1)*(t2-t1)+t1。

在扫描仪与工控机的式中不同步时，通过确定小车进出待测隧道工控机时间间隔与扫描仪时间间隔的比例可以确定小车从待测隧道入口至隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间间隔，进而可以确定隧道内轨道上任一点对应的对应的扫描仪时间，这样可以便于从扫描仪获取的原始数据信息中找到对应的点云数据信息，以确定该点对应的隧道断面数据信息。

如图6所示，在本发明提供的一个或多个实施例中，所述根据隧道内轨道上任一点的扫描仪时间确定对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息具体包括如下步骤：

S61：根据所述扫描仪时间区间从所述扫描仪扫描获取的原始数据信息中读取该点的前半周期和后半周期对应的点云数据信息，得到以该点为中心的螺旋线点云数据信息；

S62：将所述螺旋线点云数据信息投影至该点对应的隧道断面法平面，得到隧道内轨道上该点对应的隧道断面曲线。

得到了工控机时间TS对应的扫描仪时间tS后，可以从扫描仪原始数据文件里，找到工控机时间TS对应的隧道断面前后对应的扫描螺旋线的点。方法是这样的：首先我们找到工控机时间TS对应的扫描仪时间，通过读出所有的扫描仪每转一次到临界位置时的时间，得到工控机时间TS对应的扫描仪两次转动到临界位置时的时间区间。在这个时间区间里，扫描仪会完成一次完整的螺旋线扫描，并且覆盖了一个完整的扫描周期范围。由于小车是不断在前进的，所以单次扫描的点云形成的线会成为螺旋线，而我们想要的隧道断面是在一个平面上的曲线，这样就需要进行插值处理。在这里，为了让取得的结果更准确，我们将工控机时间TS对应的时间点的点云数据根据时间前后各取一半单次完整螺旋线扫描点数的点云数据，得到一组以工控机时间TS为中心的螺旋线点云。将这个得到的螺旋线点云投影到扫描仪时间对应时刻的点云所在的法平面上即可。在这里，由于单次扫描的时间间隔很短，可以认为形成的螺旋线实际上是在一个圆柱体的内表面上。而由于进行螺旋线扫描，会固定扫描仪不发生前进和左右形成的平面方向上的旋转，只是在法平面上旋转，所以实际上在扫描仪里的记录会是某个方向(小车前进方向)上的数据始终为0，另外两个方向上会形成坐标数据。而每进行一次扫描，记录的数据都会形成一个平面上的曲线。只要不进行真实的坐标变换，每一次扫描都会形成一个平面上的曲线。而这个曲线其实和变换后投影在某个法平面上的曲线是一致的。这样，取出单个时间区间里的扫描仪原始记录，即可得到工控机时间TS对应的近似隧道断面曲线。(相当于是使用临近法插值，扫描数据越密集，结果越准确。)

通过隧道内轨道上任一点的扫描仪时间读取前半周期和后半周期对应的点云数据信息，再投影至对应的端面法平面内，可以得到对应的隧道断面曲线，非常精确。

如图7所示，优选地，在本发明提供的一个或多个实施例中，所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法还包括如下步骤：

S15：根据所述原始数据信息读取轨道上每个点对应的所述扫描仪时间，确定轨道上每个点对应的里程，并根据轨道上每个点对应的里程和对应的隧道断面曲线建立直线隧道模型。

通过轨道上每个点对应的里程和对应的隧道断面曲线建立直线隧道模型，模拟真实的隧道，可以更加直观的了解整个隧道的情况，方便对隧道进行整体监测。

若隧道变形监测只需要使用隧道断面数据进行分析，不需要生成隧道扫描点云数据模型的话，以上的步骤已经满足要求了。而如果还需要得到隧道扫描点云模型，则还需要进行的步骤是：对于每个扫描仪原始数据点，可以从扫描仪数据文件里读出其记录时的扫描仪时间t，t对应的工控机时间间隔为ΔT＝(t-t1)*P＝(t-t1)*(T2-T1)/(t2-t1)。t对应的工控机时间应为T＝ΔT+T1＝(t-t1)*(T2-T1)/(t2-t1)+T1。找到对应的工控机时间后，在工控机对里程计的计数记录文件里，通过二分法能找工控机时间到T所在的里程计计数区间。这是因为记录文件是按时间顺序记录的，即使小车后退，时间也是向前记录的，所以可以直接通过二分法找到T所在的里程计计数区间。现在已知时间T，则时间间隔ΔTS＝T-Tq0。由于S＝VT，所以ΔS＝ΔTS*V＝(T-Tq0)*(Sq1-Sq0)/(Tq1-Tq0)。最后这个数据点对应的里程计计数为S＝Sq0+ΔS＝Sq0+(T-Tq0)*(Sq1-Sq0)/(Tq1-Tq0)。而由于上述得出的里程计计数与里程计之间的关系为S＝(s-s0)*(S3-S0)/(s3-s0)+S0。最后要得到该数据点对应的里程，即可得到：

s＝(S-S0)/(S3-S0)*(s3-s0)+s0

＝(Sq0+(T-Tq0)*(Sq1-Sq0)/(Tq1-Tq0)-S0)/(S3-S0)*(s3-s0)+s0。

将该数据点对应的里程s赋值给原始数据中坐标值为0的那一维坐标，即可得到该点的伪真实坐标。把这些处理后的点云数据放入到三维场景后，可以看到一条直线隧道模型。

假如扫描仪支持外部同步功能，则扫描仪时间和工控机时间同步，则上述工控机时间间隔T2-T1和扫描仪时间间隔t2-t1是相同的，可以把其时间记录全部统一。即可以得到扫描点对应的里程为：

s＝(Sq0+(T-Tq0)*(Sq1-Sq0)/(Tq1-Tq0)-S0)/(S3-S0)*(s3-s0)+s0

＝(Sq0+(t-Tq0)*(Sq1-Sq0)/(Tq1-Tq0)-S0)/(S3-S0)*(s3-s0)+s0。

如图8所示，更优选地，在本发明提供的一个或多个实施例中，所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法还包括如下步骤：

S16：根据预先获取的隧道内轨道中心线任一点的三维坐标信息对所述直线隧道模型进行修正，得到真实隧道模型。

如图9所示，在本发明提供的一个或多个实施例中，所述对所述直线隧道模型进行修正具体包括如下步骤：

S71：根据预先获取的隧道内轨道中心线任一点的三维坐标信息和轨道中心线上每个点对应的里程确定所述轨道中心线上每个点对应的三维坐标；

S72：根据所述轨道中心线上每个点对应的三维坐标确定扫描仪的中心点与轨道中心线上对应点之间的偏移量以及该点沿着前进方向对应的法平面的旋转角度；

S73：根据扫描仪的中心点与轨道中心线上对应点之间的偏移量以及轨道上每个点对应的法平面的旋转角度对所述直线隧道模型进行修正，得到真实隧道模型。

实际中，真实的隧道是弯曲的，并非直线。这种扫描模式并不能包含隧道的形状信息，若需要得到真实的隧道模型数据，需要得到真实的轨道中心线三维坐标数据，以及小车扫描仪中心与轨道中心线对应点的偏移量。轨道中心线三维坐标数据，可以通过事后补测的方法，利用全站仪观测插值、轨道几何状态测量仪来测量，或者是根据甲方提供的线型文件数据得到。这个轨道中心线三维坐标数据，不仅要包括每个轨道中心线的三维坐标点，还要包括该点所对应的里程数，以及对应的轨道倾角或者超高，分别能够自动与前述得到的数据进行对应解算。得到轨道中心线三维坐标数据之后，通过在之前得到了扫描仪点云数据中某个点的里程，要求出该点对应的轨道中心线点的三维坐标，以及该点对应的法平面的旋转角度。而已知里程，从轨道中心线三维坐标数据求中心点可以采用插值的方法，利用前后两个相邻的里程，根据里程的大小来决定前后两个中心点的距离比例，得到插值后的中心点坐标，法平面的旋转角也可通过两个中心点形成的方向向量来得到。

通过隧道内轨道中心线任一点的三维坐标信息可以确定扫描仪的中心点与对应的隧道内轨道中心线任一点之间的偏移量以及该点沿着前进方向对应的法平面的旋转角度，从而可以对所述直线隧道模型进行精确修正，得到真实隧道模型，从而可以模拟真实的隧道对隧道进行监测，非常方便直观。

如图10所示，本发明还提供了一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测系统，包括小车以及设置与小车上的扫描仪、里程计和工控机；

所述小车，用于从待测隧道的一端进入，并在待测隧道内沿着预先标定的轨道运动，从待测隧道的另一端驶出；

所述里程计，用于在小车沿着贯穿待测隧道的轨道移动时检测小车在隧道内轨道上所在位置对应的里程计数并发送至所述工控机；

所述扫描仪，用于在随着小车运动至位于待测隧道内的轨道时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时还分别记录小车进出隧道时对应的时间；

所述工控机，用于记录小车在隧道内轨道上任一点对应的工控机时间信息，还用于根据预先对待测隧道标记获取的标记信息、小车所在位置对应的里程计数、工控机时间信息以及小车进出隧道时对应的扫描仪时间确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间；

所述工控机还用于根据隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间从所述扫描仪扫描获取的原始数据信息中读取该点对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息。

本发明的有益效果是：本发明的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测系统，通过扫描仪随着小车在隧道内运动时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时结合里程计和工控机实现三维点云数据定位，从而隧道内轨道上任一点的对应的隧道断面数据信息，实现隧道监测，大大提高了监测效率，降低成本，在外业测量中能提高数十倍的测量速度，在内业处理中，简化了处理流程，无需在模型上进行切割，也无需轨道中心线即可得到隧道断面结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法,其特征在于，包括如下步骤：

设置在小车上的里程计在小车沿着贯穿隧道的轨道移动时检测小车在隧道内轨道上所在位置对应的里程计数；

设置在小车上的扫描仪在小车沿着所述轨道运动至隧道内时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时还分别记录小车进出隧道时对应的扫描仪时间；

设置在小车上的工控机记录小车在隧道内轨道上任一点对应的工控机时间信息，并根据预先对待测隧道标记获取的标记信息、小车所在位置对应的里程计数、工控机时间信息以及小车进出隧道时对应的扫描仪时间确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间；

所述工控机根据隧道内轨道上任一点的扫描仪时间确定对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，其特征在于：所述确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间具体包括如下步骤：

根据预先对待测隧道标记获取的标记信息确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系；

根据所述映射关系确定隧道内轨道上任一点对应的里程计数区间，并根据所述里程计数区间确定该点对应的工控机时间；

根据隧道内轨道上任一点对应的工控机时间确定该点对应的扫描仪时间。

3.根据权利要求2所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，其特征在于：所述根据预先对待测隧道标记获取的标记信息确定隧道内轨道上任一点的里程与里程计数之间的映射关系具体包括如下步骤：

在待测隧道的两端外分别标记起点和终点，并在待测隧道内顺着起点和终点标记运行轨道；

分别标定所述起点和终点对应的里程，并获取小车在起点和终点时对应的里程计数；

分别根据所述起点和终点的里程以及对应的里程计数确定隧道内轨道上任一点的里程计数。

4.根据权利要求2所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，其特征在于：所述根据所述映射关系确定隧道内轨道上任一点对应的里程计数区间，并根据所述里程计数区间确定该点对应的工控机时间具体包括如下步骤：

根据隧道内轨道上任一点的里程计数从所述里程计的检测结果中读取其所属的里程计数区间，并从所述工控机时间信息中获取所述里程计数区间对应的工控机时间区间；

根据所述隧道内轨道上任一点的里程计数对应的里程计数区间和对应工控机时间区间确定该点对应的工控机时间。

5.根据权利要求2所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，其特征在于：所述根据隧道内轨道上任一点对应的工控机时间确定该点的扫描仪时间具体包括如下步骤：

根据扫描仪记录的小车进出隧道时对应的时间和工控机记录的小车进出隧道时对应的时间确定小车进出待测隧道的工控机时间间隔与小车进出待测隧道的扫描仪时间间隔的比例；

根据所述工控机时间间隔与扫描仪时间间隔的比例确定小车从待测隧道入口至隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间间隔；

根据小车从所述起点运动至待测隧道入口的时间和小车从待测隧道入口至隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间间隔确定隧道内轨道上任一点对应的对应的扫描仪时间。

6.根据权利要求1所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，其特征在于：所述根据隧道内轨道上任一点的扫描仪时间确定对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息具体包括如下步骤：

根据所述扫描仪时间区间从所述扫描仪扫描获取的原始数据信息中读取该点的前半周期和后半周期对应的点云数据信息，得到以该点为中心的螺旋线点云数据信息；

将所述螺旋线点云数据信息投影至该点对应的隧道断面法平面，得到隧道内轨道上该点对应的隧道断面曲线。

7.根据权利要求1所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

根据所述原始数据信息读取轨道上每个点对应的所述扫描仪时间，确定轨道上每个点对应的里程，并根据轨道上每个点对应的里程和对应的隧道断面曲线建立直线隧道模型。

8.根据权利要求7所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

根据预先获取的隧道内轨道中心线任一点的三维坐标信息以及扫描仪中心点与轨道中心线线上对应点之间的偏移量对所述直线隧道模型进行修正，得到真实隧道模型。

9.根据权利要求8所述的基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测方法，其特征在于，所述对所述直线隧道模型进行修正具体包括如下步骤：

根据预先获取的隧道内轨道中心线任一点的三维坐标信息和轨道中心线上每个点对应的里程确定所述轨道中心线上每个点对应的三维坐标；

根据所述轨道中心线上每个点对应的三维坐标确定扫描仪的中心点与轨道中心线上对应点之间的偏移量以及该点沿着前进方向对应的法平面的旋转角度；

根据扫描仪的中心点与轨道中心线上对应点之间的偏移量以及轨道上每个点对应的法平面的旋转角度对所述直线隧道模型进行修正，得到真实隧道模型。

10.一种基于激光扫描仪和里程计的隧道变形监测系统，其特征在于：包括小车以及设置与小车上的扫描仪、里程计和工控机；

所述小车，用于从待测隧道的一端进入，并在待测隧道内沿着预先标定的轨道运动，从待测隧道的另一端驶出；

所述里程计，用于在小车沿着贯穿待测隧道的轨道移动时检测小车在隧道内轨道上所在位置对应的里程计数并发送至所述工控机；

所述扫描仪，用于在随着小车运动至位于待测隧道内的轨道时对隧道内壁进行扫描，并获取隧道断面的原始数据信息，同时还分别记录小车进出隧道时对应的时间；

所述工控机，用于记录小车在隧道内轨道上任一点对应的工控机时间信息，还用于根据预先对待测隧道标记获取的标记信息、小车所在位置对应的里程计数、工控机时间信息以及小车进出隧道时对应的扫描仪时间确定隧道内轨道上任一点的对应的扫描仪时间；

所述工控机还用于根据隧道内轨道上任一点对应的扫描仪时间从所述扫描仪扫描获取的原始数据信息中读取该点对应的螺旋线点云数据信息，并根据所述螺旋线数据信息确定该点对应的隧道断面数据信息。

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