CN111336990A - 一种隧道断面收敛快速分析方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道断面收敛快速分析方法，包括：S1，获取隧道结构的三维点云；S2，基于隧道结构的三维点云拟合圆柱，获取隧道点云中轴线；S3，基于隧道点云中轴线和给定的一个点构造出一个平面，基于此平面截取一个隧道点云断面；S4，确定隧道断面的圆心；S5，基于隧道断面圆心，提取断面左右两侧固定角度范围的轮廓点云，分别进行圆拟合，获取两个轮廓圆；S6，根据断面两侧轮廓圆的圆心及半径，进行断面收敛分析。本发明能够有效截取隧道断面，获取断面圆心，基于断面圆心提取固定角度的断面左右两侧轮廓分别进行圆拟合，根据圆拟合得到的两个轮廓圆，快速、准确地实现断面收敛和隧道形变分析。

Description

一种隧道断面收敛快速分析方法和装置

技术领域

本发明涉及隧道断面分析技术领域，具体而言涉及一种隧道断面收敛快速分析方法和装置。

背景技术

随着城市的不断发展，地面道路交通的压力越来越大，为了减轻地面交通的压力地铁的应用面越来越大，同时，地铁的方便、快捷、高容纳能力等优势使得地铁成为最受欢迎的公共交通工具之一。然而，一方面，随着地铁隧道的长期使用隧道难免会存在老化变形等问题；另一方面，地铁隧道附近新增的建筑物也可能导致隧道的变形。隧道的老化和变形可能进一步导致隧道的坍塌，严重危及乘客的生命财产安全，危及整个城市的交通系统。

针对隧道的变形检测，传统方法以手工检测为主，准确度不高，效率低下，不符合现代城市轨道交通的发展要求。近年来，三维激光扫描技术因其测量精度高、操作方便快捷等特点广泛应用于各个测量领域，将三维激光扫描技术应用于隧道变形检测将能实现高精度、高效率、非接触性测量。

基于三维激光扫描的点云数据处理仍处于起步阶段，断面形变分析过程中一般通过圆拟合和椭圆拟合来完成计算。例如，专利号为CN201711158016.5的发明“一种用于地铁检测及测量的3D扫描方法”中提及，扫描获得隧道二维点云数据，并同步采集里程数据；将二维点云数据及里程数据相匹配，以获得隧道的三维点云数据；对隧道进行切片，并对切片进行预处理；进行椭圆拟合。又例如，专利号为CN201910182146.5的发明“地基式点云的隧道断面提取方法”中提及一种地基式点云的隧道断面提取方法，包括如下步骤：(1)计算提取断面位置处的中心坐标；(2)确定隧道断面方程；(3)确定隧道断面内射线方程；(4)确定断面点；(5)断面拟合及重采样。本发明采用更贴合隧道表面形状的圆柱面进行局部拟合，克服隧道表面噪声的影响，能够自适应不同的隧道点云密度，对于非均匀的隧道点云也能够顺利的提取出隧道断面；同时对提取的断面点做了进一步的拟合及重采样处理，进一步适应点云的非均质性和一定程度上弥补部分缺失部位点云。

然而，由于老化或外力作用导致隧道断面的不规则形变以及点云数据中噪声、异常点的影响，直接通过圆拟合或者椭圆拟合的方法难以快速、准确地检测出断面是否发生形变。

针对现有技术中难以快速、准确、高效地实现隧道形变分析的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明目的在于提供一种隧道断面收敛快速分析方法和装置，有效截取隧道断面，获取断面圆心，基于断面圆心提取固定角度的断面左右两侧轮廓分别进行圆拟合，根据圆拟合得到的两个轮廓圆，快速、准确地实现断面收敛和隧道形变分析。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种隧道断面收敛快速分析方法，所述分析方法包括：

S1，获取隧道结构的三维点云；

S2，基于隧道结构的三维点云拟合圆柱，获取隧道点云中轴线；

S3，基于隧道点云中轴线和给定的一个点构造出一个平面，基于此平面截取一个隧道点云断面；

S4，确定隧道断面的圆心；

S5，基于隧道断面圆心，提取断面左右两侧固定角度范围的轮廓点云，分别进行圆拟合，获取两个轮廓圆；

S6，根据断面两侧轮廓圆的圆心及半径，进行断面收敛分析。

作为其中的一种优选例，步骤S1中，通过三维激光扫描仪对隧道进行扫描，获取隧道结构的三维点云。

作为其中的一种优选例，步骤S2中，所述获取隧道点云中轴线的过程包括以下步骤：

S21，采用高斯映射法，基于隧道结构的三维点云拟合出隧道点云圆柱轮廓；

S22，将该圆柱中轴线定义成隧道点云中轴线l，隧道点云中轴线的方向向量被定义成

作为其中的一种优选例，步骤S3中，所述截取一个隧道点云断面的过程包括以下步骤：

S31，基于隧道点云中轴线l，以中轴线l的方向为法矢方向

S32，给定一个隧道点云中的点S(x₀,y₀,z₀)，根据平面参数方程确定一个平面Γ，平面参数方程为：

A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0

所述平面Γ垂直于隧道点云中轴线；

S33，采用该平面Γ截取一个隧道点云断面，获取隧道断面点云。

作为其中的一种优选例，步骤S4中，所述确定隧道断面的圆心是指：

基于隧道断面点云，采用RANSAC圆拟合方法初步拟合出隧道断面轮廓圆，将隧道断面轮廓圆的圆心作为隧道断面圆心O。

作为其中的一种优选例，步骤S5中，所述基于隧道断面圆心，提取断面左右两侧固定角度范围的轮廓点云，分别进行圆拟合，获取两个轮廓圆的过程包括以下步骤：

S51，基于隧道断面圆心O，提取出预设角度范围内的隧道断面左右两侧轮廓所对应的点云P和Q；

S52，基于轮廓点云P、Q分别采用RANSAC圆拟合方法拟合出两个圆，圆心分别为c₁、c₂，半径分别为r₁、r₂。

作为其中的一种优选例，所述预设角度范围为30°～60°。

作为其中的一种优选例，步骤S6中，所述根据断面两侧轮廓圆的圆心及半径，进行断面收敛分析是指：

S61，设两个轮廓圆的圆心分别为c₁、c₂，半径分别为r₁、r₂

S62，基于两个轮廓圆的圆心坐标和半径，采用下述隧道断面收敛公式，计算得到隧道断面收敛分析结果d：

d＝|c₁.x-c₂.x|+r₁+r₂

其中，c₁.x指圆心c₁的x轴坐标，c₂.x指圆心c₂的x轴坐标；

S63，将隧道断面收敛分析结果与收敛阈值进行比较分析。

基于前述分析方法，本发明还提及一种隧道断面收敛快速分析装置，所述隧道断面收敛快速分析装置包括：

数据获取模块，用于获取隧道结构的三维点云；

断面提取模块，用于基于隧道结构的三维点云，截取一个隧道点云断面；

断面收敛分析模块，用于计算隧道点云断面收敛并对收敛结果加以分析。

作为其中的一种优选例，所述断面提取模块包括：

预处理单元，用于采用高斯映射将隧道点云拟合成圆柱，获取隧道点云中轴线，以及基于中轴线和给定的一个点确定出一个平面，基于此平面截取出隧道点云断面；

断面拟合单元，对隧道断面点云用RANSAC圆拟合方法初步拟合出断面轮廓圆，确定断面圆心，以及基于断面圆心，提取出固定角度范围的断面左右两侧轮廓点云分别进行圆拟合，记录拟合得到的两个轮廓圆的半径及圆心。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)有效截取隧道断面，获取断面圆心，基于断面圆心提取固定角度的断面左右两侧轮廓分别进行圆拟合，根据圆拟合得到的两个轮廓圆，基于两个轮廓圆的圆心坐标和半径对断面和隧道形变进行分析，收敛速度快，分析结果准确。

(2)对隧道断面形状没有限定，适用性广。

(3)对于部分因点云数据获取不完整而导致的断面不完整的情况，可以通过圆拟合完成后续收敛分析，对点云数据完整性的依赖度低，且经实践证明，分析结果准确度和完整点云数据下的分析结果相差无几。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的隧道断面收敛快速分析方法的其中一种可选流程图。

图2是本发明的实施例一的隧道点云图像示意图。

图3是本发明的实施例一的隧道断面点云图像示意图。

图4是本发明的实施例一的隧道断面轮廓圆拟合图像示意图。

图5是本发明的实施例一的隧道断面左右两侧轮廓圆拟合图像示意图。

图6是本发明的隧道断面收敛快速分析装置的其中一种可选结构图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

实施例一

在本发明优选实施例一中提供了一种隧道断面收敛快速分析方法，相比于传统的隧道形变分析方法，本方法数据处理精度高、工作效率高、适用范围广，能在耗费较少人力、物力、财力的条件下完成隧道形变的有效分析。具体来说，图1示出该方法的一种可选流程图，图1所示，该方法包括以下步骤：

S1，通过三维激光扫描仪对诸如地铁隧道等隧道结构进行扫描，获得隧道结构的三维点云数据。

S2，基于隧道结构的三维点云数据，提取隧道点云中轴线。

S3，基于隧道点云中轴线和给点的一点构造出一个平面，用该平面截取一个隧道点云断面。

S4，基于隧道断面点云采用RANSAC圆拟合法拟合出断面轮廓圆，确定隧道断面圆心。

S5，基于隧道断面圆心提取出固定角度的隧道断面左右两侧轮廓所对应的点云，该基于点云分别进行圆拟合，记录拟合得到的两个轮廓圆的圆心及半径。

S6，根据断面两侧轮廓圆的圆心及半径，结合断面收敛计算公式进行断面收敛分析。

在上述实施方式中，为地铁隧道断面收敛分析提供了一种快速分析方法，具体通过以下方式实现：获取地铁隧道三维点云，基于点云数据提取隧道中轴线，基于中轴线和给定的点确定隧道点云断面，基于RASAC圆拟合法拟合断面轮廓，确定轮廓圆圆心，基于隧道断面轮廓圆圆心提取出固定角度的隧道断面左右两侧轮廓点云，基于两侧轮廓点云分别进行圆拟合，基于两侧轮廓圆圆心及半径数据计算隧道断面收敛。上述方法可以快速完成隧道断面收敛计算，能够更快、更有效地实现隧道形变检测。

图2所示的是地铁隧道点云图像，该图像中包含10环隧道点云，隧道断面是一个近似的圆，后续步骤中只需要对隧道断面圆进行处理。

在上述实时方式中，基于三维点云数据，提取隧道点云中轴线，包括：基于隧道三维点云数据，采用高斯映射法拟合出圆柱，将圆柱的中轴线作为隧道点云中轴线。

具体地，提取隧道中轴线可通过以下步骤实现：对隧道点云做高斯映射，在高斯球面上得到一个由点组成的垂直于圆柱轴线的大圆，基于该大圆上的点采用最小二乘法拟合平面，得到该平面法矢，该平面法矢方向即为隧道点云中轴线方向。

在得到隧道点云中轴线后，进一步地，基于隧道点云中轴线的方向给定隧道点云中的一个点，截取一个隧道点云断面，包括：基于隧道点云中轴线l，以中轴线方向

为法矢方向，根据一个给定的隧道点云中的点S(x₀,y₀,z₀)，确定一个平面Γ，然后基于该平面截取一个隧道点云断面。直线方程为：

A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0

图3显示了隧道断面点云图像，获取隧道断面点云后，进一步地，采用RANSAC圆拟合法确定隧道断面的圆心，包括：对隧道断面点云采用RANSAC圆拟合方法初步拟合出隧道断面圆，如图4所示，确定出隧道断面圆的圆心O。

在确定隧道断面圆心后，进一步地，基于隧道断面圆心提取隧道断面左右两侧轮廓点云分别进行圆拟合，包括：基于隧道断面圆的圆心，提取出角度范围为30°～60°的轮廓点云P和Q，对点云P、Q分别采用RANSAC圆拟合方法拟合出两个完整的圆，如图5所示，确定圆心c₁、c₂的坐标和半径r₁、r₂。

获取隧道断面两侧轮廓圆的圆心和半径之后，设计隧道断面收敛计算公式：

d＝|c₁.x-c₂.x|+r₁+r₂

继而完成隧道断面收敛的快速分析。

实施例二

基于上述实施例一中提供的地铁隧道断面收敛快速分析方法，在本发明优选的实施例二中还提供了一种地铁隧道图像处理装置，具体地，图6显示出该装置的一种可选的结构框图，如图6所示，该装置包括：

(1)数据获取模块，用于获取地铁隧道点云。

(2)断面提取模块，与数据获取模块相连，用于提取地铁隧道点云中的隧道断面点云。

(3)断面收敛分析模块，与断面提取模块相连，用于计算地铁隧道断面收敛，对地铁隧道形变进行快速分析。

在上述实施方式中，为地铁隧道断面收敛分析提供了快速准确的分析方法，具体通过以下方式实现：获取地铁隧道三维点云，基于点云数据提取隧道中轴线，基于中轴线和给定的点确定隧道点云断面，基于RASAC圆拟合法拟合断面轮廓，确定轮廓圆圆心，基于隧道断面轮廓圆圆心提取出固定角度的隧道断面左右两侧轮廓点云，基于两侧轮廓点云分别进行圆拟合，基于两侧轮廓圆圆心及半径数据计算隧道断面收敛。上述方法可以快速完成隧道断面收敛计算，提高隧道形变分析的效率和准确度。

优选地，所述断面提取模块包括：

①预处理单元，用高斯映射将隧道点云拟合成圆柱，获取隧道点云中轴线；然后，基于中轴线和给定的一个点确定出一个平面，基于此平面截取出隧道点云断面。

②断面拟合单元，对隧道断面点云用RANSAC圆拟合方法初步拟合出断面轮廓圆，确定断面圆心；基于断面圆心，提取出固定角度范围的断面左右两侧轮廓点云分别进行圆拟合，记录半径及圆心。

进一步地，所述断面收敛分析模块用于根据公式及轮廓圆圆心坐标及半径数据计算断面收敛，然后与收敛阈值进行比较分析。

关于上述实施例中的装置，其中各个单元、模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种隧道断面收敛快速分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：

S1，获取隧道结构的三维点云；

S2，基于隧道结构的三维点云拟合圆柱，获取隧道点云中轴线；

S3，基于隧道点云中轴线和给定的一个点构造出一个平面，基于此平面截取一个隧道点云断面；

S4，确定隧道断面的圆心；

S5，基于隧道断面圆心，提取断面左右两侧固定角度范围的轮廓点云，分别进行圆拟合，获取两个轮廓圆；

S6，根据断面两侧轮廓圆的圆心及半径，进行断面收敛分析。

2.根据权利要求1所述的隧道断面收敛快速分析方法，其特征在于，步骤S1中，通过三维激光扫描仪对隧道进行扫描，获取隧道结构的三维点云。

3.根据权利要求1所述的隧道断面收敛快速分析方法，其特征在于，步骤S2中，所述获取隧道点云中轴线的过程包括以下步骤：

S21，采用高斯映射法，基于隧道结构的三维点云拟合出隧道点云圆柱轮廓；

S22，将该圆柱中轴线定义成隧道点云中轴线l，隧道点云中轴线的方向向量被定义成

4.根据权利要求1所述的隧道断面收敛快速分析方法，其特征在于，步骤S3中，所述截取一个隧道点云断面的过程包括以下步骤：

S31，基于隧道点云中轴线l，以中轴线l的方向为法矢方向

S32，给定一个隧道点云中的点S(x₀,y₀,z₀)，根据平面参数方程确定一个平面Γ，平面参数方程为：

A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0

所述平面Γ垂直于隧道点云中轴线；

S33，采用该平面Γ截取一个隧道点云断面，获取隧道断面点云。

5.根据权利要求1所述的隧道断面收敛快速分析方法，其特征在于，步骤S4中，所述确定隧道断面的圆心是指：

基于隧道断面点云，采用RANSAC圆拟合方法初步拟合出隧道断面轮廓圆，将隧道断面轮廓圆的圆心作为隧道断面圆心O。

6.根据权利要求1所述的隧道断面收敛快速分析方法，其特征在于，步骤S5中，所述基于隧道断面圆心，提取断面左右两侧固定角度范围的轮廓点云，分别进行圆拟合，获取两个轮廓圆的过程包括以下步骤：

S51，基于隧道断面圆心O，提取出预设角度范围内的隧道断面左右两侧轮廓所对应的点云P和Q；

S52，基于轮廓点云P、Q分别采用RANSAC圆拟合方法拟合出两个圆，圆心分别为c₁、c₂，半径分别为r₁、r₂。

7.根据权利要求6所述的隧道断面收敛快速分析方法，其特征在于，所述预设角度范围为30°～60°。

8.根据权利要求1所述的隧道断面收敛快速分析方法，其特征在于，步骤S6中，所述根据断面两侧轮廓圆的圆心及半径，进行断面收敛分析是指：

S61，设两个轮廓圆的圆心分别为c₁、c₂，半径分别为r₁、r₂

S62，基于两个轮廓圆的圆心坐标和半径，采用下述隧道断面收敛公式，计算得到隧道断面收敛分析结果d：

d＝|c₁.x-c₂.x|+r₁+r₂

其中，c₁.x指圆心c₁的x轴坐标，c₂.x指圆心c₂的x轴坐标；

S63，将隧道断面收敛分析结果与收敛阈值进行比较分析。

9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述分析方法的隧道断面收敛快速分析装置，其特征在于，所述隧道断面收敛快速分析装置包括：

数据获取模块，用于获取隧道结构的三维点云；

断面提取模块，用于基于隧道结构的三维点云，截取一个隧道点云断面；

断面收敛分析模块，用于计算隧道点云断面收敛并对收敛结果加以分析。

10.根据权利要求9所述的隧道断面收敛快速分析装置，其特征在于，所述断面提取模块包括：

预处理单元，用于采用高斯映射将隧道点云拟合成圆柱，获取隧道点云中轴线，以及基于中轴线和给定的一个点确定出一个平面，基于此平面截取出隧道点云断面；

断面拟合单元，对隧道断面点云用RANSAC圆拟合方法初步拟合出断面轮廓圆，确定断面圆心，以及基于断面圆心，提取出固定角度范围的断面左右两侧轮廓点云分别进行圆拟合，记录拟合得到的两个轮廓圆的半径及圆心。

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