CN111561878B - 一种基于移动3d激光扫描的点云误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道监测及三维测量方法技术领域，具体来说是一种基于移动三维激光扫描技术下的隧道点云模型的误差纠正处理方法，选取环与环之间缝上多个点，结合像素横向和纵向分辨率，恢复点坐标，每条缝均解得与之对应三个维度的角度偏差，对点云中任意点寻求与之距离最近的缝，使用该缝的角度纠正对应点，对所有点纠正角度误差后，重新生成隧道平铺图，点云纠正后，再通过步骤B所示纠正角度偏差，可得精准的隧道点云模型，其优点在于：精度高，速度快，自动化，实用性强，可以满足隧道收敛测量的需求。

Description

一种基于移动3D激光扫描的点云误差修正方法

技术领域

本发明涉及隧道监测及三维测量方法技术领域，具体来说是一种基于移动三维激光扫描技术下的隧道点云模型的误差纠正处理方法。

背景技术

近些年来，三维激光扫描系统在国内外，广泛用于各种轨道交通隧道监测之中。激光扫描仪用轨道小车作为搭载平台，沿地铁轨道行进，在搭载平台上，扫描仪设置为螺旋扫模式，获取地铁隧道的点云模型信息。

移动激光扫描同样存在有多种误差：里程计及扫描仪随机误差、轨道超高、扫描仪安装存在偏差等因素，使得采集点云存在误差。扫描仪与隧道会产生3个方向的小角度误差，即扫描仪封顶块中心照准误差、隧道横断面照准误差、移动测量轨道行进向误差。

有些系统通过引进倾角仪的方法，按照一定的频率测量小角度误差。由于扫描仪及其载体的空间姿态随着轨道的变化而变化，意味着与隧道的相对关系也产生着变化。引入倾角仪进而会引发新的问题：如何定义三个维度误差的初始状态，如何定义三个角度的变化？与此同时，引入倾角仪必然会增加系统的费用以及运维成本。如何在不添加硬件的基础上，结合隧道中存在地假设前提，推算出扫描仪与隧道之间存在的三个维度误差将有一定的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于移动3D激光扫描的点云误差修正方法，具有精度高、速度快、自动化、实用性强等优点，且满足隧道收敛测量的需求。

为了实现上述目的，设计一种基于移动3D激光扫描的点云误差修正方法，上述方法的具体流程如下：

A.前期处理准备：采用里程计与三维激光扫描仪螺旋扫描模式结合进行推扫，获得三维点云，每环沿中轴线，并结合图像填充、灰度平滑和灰度线性拉伸增强算法，生成隧道平铺图；

B.基于展开隧道平铺图，求解封顶块中心在测量坐标系实际方位角cα3，根据扫描仪封顶块中心照准误差，修正点云倾斜角度β；

B-1.若展开的平铺图像高度为hp，扫描仪螺旋扫描角度设置为60°～300°，每一像素对应圆心角为2π*hp/3，隧道任一像素在中心坐标系方位角cα计算公式为：

式中：h为像素在屏幕坐标系高度，规定在面o_xz中，z轴为方位角起点，ox轴为方位角π/2，方位角范围为[0,2π)；

B-2.识别平铺图隧道管片上连接块和拼装块接缝，根据接缝在平铺图中的像素高度，确定方位角，并计算封装块中心方位角，公式如下：cα3＝(cα1+cα2-2π)/2，

式中：cα1和cα2为隧道两侧管片上连接块和拼装块间接缝的方位角，cα3为封顶块中心方位角；

C.建立隧道扫描误差模型，识别平铺图上环与环间连接缝，根据环缝的变形曲线，解算扫描面与隧道横断面的倾斜角γ；

C-1.隧道分析模型：简化隧道每环为椭圆柱，椭圆柱中心轴线为L1，扫描断面原点沿着线L2行进，建立标准椭圆柱坐标系O_XYZ，坐标原点在椭圆柱中心、X轴向为椭圆柱横断面长半轴或短半轴a重合，Z轴为椭圆柱横断面短半轴或长半轴b重合，Y轴与椭圆柱隧道中轴线重合且指向隧道环号递增的方向，将扫描仪和里程计构成坐标系记为测量坐标系，记为oo_xxyyzz，扫描断面点在oo_xxzz坐标系下，里程方向为ooyy，里程方向为扫描断面法线方向；

C-2.扫描断面上，任意一点M，在标准椭圆坐标系下坐标与测量坐标系坐标之间的关系为：

式中：γ为旋转角，等价于扫描面与隧道横断面倾斜角，(X_M Y_M Z_M)^T为M点在标准椭圆坐标系下坐标，(xx_M yy_M zz_M)^T为M点在测量坐标系下坐标，(X_oo Y_oo Z_oo)^T为扫描仪中心在标准椭圆坐标系坐标；

识别平铺图中环与环之间的连接缝，连接缝处点云上任意一点满足如下空间位置关系：

式中：R表示投影圆柱半径，h为从上到下图像高度对应长度，Y_F为环与环拼缝在标准椭圆坐标系下的Y坐标值，Y_oo(t_F)为测量坐标系中心在标准椭圆坐标系下Y坐标值，rr为点云任意一点M投影到所在隧道横断面的中心距离；

C-3.对于内径为5.5m的隧道，等价将隧道转化为半径2.75m的标准圆柱形，则有：F(h)＝-2.75tan(γ)*sin(2π/3-h/2.75)+X_ootan(γ)h＞＝0且h＜＝11π/3，

式中：F(h)＝Y_oo(t_F)-Y_F，F(h)为隧道环与环间连接缝上的点在测量坐标系与隧道横断面间的差值，曲线走向振幅为2.75*tan(γ)，

在隧道平铺图中截取环缝变形情况，与标准垂线对比，可反推倾斜角γ；

D.根据隧道平铺图上环与环间连接缝的呈现形状，判断扫描仪行进向误差α角；

D-1.同C-1、C-2扫描断面上点，在标准椭圆坐标系下坐标与测量坐标系坐标之间的关系相同，替换扫描面与隧道横断面倾斜角为行进向倾斜角α，可得：F(h)＝2.75tan(α)*cos(2π/3-h/2.75)-Z_ootan(α)h＞＝0且h＜＝11π/3，

式中：F(h)＝Y_oo(t_F)-Y_F；

D-2.在隧道展开图中，环缝呈现形状与实际缝位置的差值与扫描中心Z坐标和α角有关，分别使用不同的α值，可计算出不同的环缝呈现形状，曲线的走向与无角度偏差竖直缝对比可反解出α值；

E.选取隧道平铺图管片上环与环之间的缝，选取环缝上多个点，结合像素横向和纵向分辨率，恢复点坐标(h_j Y_oo(t_F)_j)(j＝1,...,n)，每条缝均解得与之对应α和γ角，对点云中任意点寻求与之距离最近的缝，使用该缝的角度纠正对应点，对所有点纠正角度误差后，重新生成隧道平铺图，点云纠正后，再通过步骤B所示纠正β角度偏差，可得精准的隧道点云模型。

本发明同现有技术相比，其优点在于：精度高，速度快，自动化，实用性强，可以满足隧道收敛测量的需求。

附图说明

图1是本发明总体流程示意图；

图2是本发明地铁隧道移动3D激光扫描误差模型图；

图3是本发明地铁隧道管片分布图；

图4是本发明封顶块照准误差示意图；

图5是本发明扫描仪隧道横断面照准误差示意图；

图6是本发明横断面照准误差：1到10度分布图；

图7是本发明扫描仪行进向误差示意图；

图8是本发明扫描仪行进向倾斜：1到10度分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明的原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于移动3D激光扫描的点云误差修正方法，具体流程如下：

A.前期处理准备：采用里程计与三维激光扫描仪螺旋扫描模式结合进行推扫，获得三维点云，每环沿中轴线，并结合图像填充、灰度平滑和灰度线性拉伸增强算法，生成隧道平铺图；

B.基于展开隧道平铺图，求解封顶块中心在测量坐标系实际方位角cα3，根据扫描仪封顶块中心照准误差，修正点云倾斜角度β；

B-1.若展开的平铺图像高度为hp，扫描仪螺旋扫描角度设置为60°～300°，每一像素对应圆心角为2π*hp/3，隧道任一像素在中心坐标系方位角cα计算公式为：

式中：h为像素在屏幕坐标系高度，规定在面o_xz中，z轴为方位角起点，ox轴为方位角π/2，方位角范围为[0,2π)；

B-2.识别平铺图隧道管片上连接块和拼装块接缝，根据接缝在平铺图中的像素高度，确定方位角，并计算封装块中心方位角，公式如下：cα3＝(cα1+cα2-2π)/2，

式中：cα1和cα2为隧道两侧管片上连接块和拼装块间接缝的方位角，cα3为封顶块中心方位角；

C.建立隧道扫描误差模型，识别平铺图上环与环间连接缝，根据环缝的变形曲线，解算扫描面与隧道横断面的倾斜角γ；

C-1.隧道分析模型：简化隧道每环为椭圆柱，椭圆柱中心轴线为L1，扫描断面原点沿着线L2行进，建立标准椭圆柱坐标系O_XYZ，坐标原点在椭圆柱中心、X轴向为椭圆柱横断面长半轴或短半轴a重合，Z轴为椭圆柱横断面短半轴或长半轴b重合，Y轴与椭圆柱隧道中轴线重合且指向隧道环号递增的方向，将扫描仪和里程计构成坐标系记为测量坐标系，记为oo_xxyyzz，扫描断面点在oo_xxzz坐标系下，里程方向为ooyy，里程方向为扫描断面法线方向；

C-2.扫描断面上，任意一点M，在标准椭圆坐标系下坐标与测量坐标系坐标之间的关系为：

式中：γ为旋转角，等价于扫描面与隧道横断面倾斜角，(X_M Y_M Z_M)^T为M点在标准椭圆坐标系下坐标，(xx_M yy_M zz_M)^T为M点在测量坐标系下坐标，(X_oo Y_oo Z_oo)^T为扫描仪中心在标准椭圆坐标系坐标；

识别平铺图中环与环之间的连接缝，连接缝处点云上任意一点满足如下空间位置关系：

式中：R表示投影圆柱半径，h为从上到下图像高度对应长度，Y_F为环与环拼缝在标准椭圆坐标系下的Y坐标值，Y_oo(t_F)为测量坐标系中心在标准椭圆坐标系下Y坐标值，rr为点云任意一点M投影到所在隧道横断面的中心距离；

C-3.对于内径为5.5m的隧道，等价将隧道转化为半径2.75m的标准圆柱形，则有：F(h)＝-2.75tan(γ)*sin(2π/3-h/2.75)+X_ootan(γ)h＞＝0且h＜＝11π/3，

式中：F(h)＝Y_oo(t_F)-Y_F，F(h)为隧道环与环间连接缝上的点在测量坐标系与隧道横断面间的差值，曲线走向振幅为2.75*tan(γ)，

在隧道平铺图中截取环缝变形情况，与标准垂线对比，可反推倾斜角γ；

D.根据隧道平铺图上环与环间连接缝的呈现形状，判断扫描仪行进向误差α角；

D-1.同C-1、C-2扫描断面上点，在标准椭圆坐标系下坐标与测量坐标系坐标之间的关系相同，替换扫描面与隧道横断面倾斜角为行进向倾斜角α，可得：F(h)＝2.75tan(α)*cos(2π/3-h/2.75)-Z_ootan(α)h＞＝0且h＜＝11π/3，

式中：F(h)＝Y_oo(t_F)-Y_F；

D-2.在隧道展开图中，环缝呈现形状与实际缝位置的差值与扫描中心Z坐标和α角有关，分别使用不同的α值，可计算出不同的环缝呈现形状，曲线的走向与无角度偏差竖直缝对比可反解出α值；

E.选取隧道平铺图管片上环与环之间的缝，选取环缝上多个点，结合像素横向和纵向分辨率，恢复点坐标(h_j Y_oo(t_F)_j)(j＝1,...,n)，每条缝均解得与之对应α和γ角，对点云中任意点寻求与之距离最近的缝，使用该缝的角度纠正对应点，对所有点纠正角度误差后，重新生成隧道平铺图，点云纠正后，再通过步骤B所示纠正β角度偏差，可得精准的隧道点云模型。

Claims (1)

1.一种基于移动3D激光扫描的点云误差修正方法，其特征在于方法的具体流程如下：

A.前期处理准备：采用里程计与三维激光扫描仪螺旋扫描模式结合进行推扫，获得三维点云，每环沿中轴线，并结合图像填充、灰度平滑和灰度线性拉伸增强算法，生成隧道平铺图；

B.基于展开隧道平铺图，求解封顶块中心在测量坐标系实际方位角cα3，根据扫描仪封顶块中心照准误差，修正点云倾斜角度β；

B-1.若展开的平铺图像高度为hp，扫描仪螺旋扫描角度设置为60°～300°，每一像素对应圆心角为2π*hp/3，隧道任一像素在中心坐标系方位角cα计算公式为：

式中：h为像素在屏幕坐标系高度，规定在面o_xz中，z轴为方位角起点，ox轴为方位角π/2，方位角范围为[0,2π)；

B-2.识别平铺图隧道管片上连接块和拼装块接缝，根据接缝在平铺图中的像素高度，确定方位角，并计算封装块中心方位角，公式如下：cα3＝(cα1+cα2-2π)/2，式中：cα1和cα2为隧道两侧管片上连接块和拼装块间接缝的方位角，cα3为封顶块中心方位角；

C.建立隧道扫描误差模型，识别平铺图上环与环之间的接缝，根据环缝的变形曲线，解算扫描面与隧道横断面的倾斜角γ；

C-1.隧道分析模型：简化隧道每环为椭圆柱，椭圆柱中心轴线为L1，扫描断面原点沿着线L2行进，建立标准椭圆柱坐标系O_XYZ，坐标原点在椭圆柱中心、X轴向为椭圆柱横断面长半轴或短半轴a重合，Z轴为椭圆柱横断面短半轴或长半轴b重合，Y轴与椭圆柱隧道中轴线重合且指向隧道环号递增的方向，

将扫描仪和里程计构成坐标系记为测量坐标系，记为oo_xxyyzz，扫描断面点在oo_xxzz坐标系下，里程方向为ooyy，里程方向为扫描断面法线方向；

C-2.扫描断面上，任意一点M，在标准椭圆坐标系下坐标与测量坐标系坐标之间的关系为：

式中：γ为旋转角，等价于扫描面与隧道横断面倾斜角，(X_M Y_M Z_M)^T为M点在标准椭圆坐标系下坐标，(xx_M yy_M zz_M)^T为M点在测量坐标系下坐标，(X_oo Y_oo Z_oo)^T为扫描仪中心在标准椭圆坐标系坐标；

识别平铺图中隧道每环间的拼接缝，拼接缝处点云上任意一点满足如下空间位置关系：

式中：R表示投影圆柱半径，h为从上到下图像高度对应长度，Y_F为环与环拼缝在标准椭圆坐标系下的Y坐标值，Y_oo(t_F)为测量坐标系中心在标准椭圆坐标系下Y坐标值，rr为点云任意一点M投影到所在隧道横断面的中心距离；

C-3.对于内径为5.5m的隧道，等价将隧道转化为半径2.75m的标准圆柱形，则有：F(h)＝-2.75tan(γ)*sin(2π/3-h/2.75)+X_ootan(γ)h＞＝0且h＜＝11π/3，

式中：F(h)＝Y_oo(t_F)-Y_F，F(h)为隧道环缝上的点在测量坐标系与隧道横断面间的差值，曲线走向振幅为2.75*tan(γ)，

在隧道平铺图中截取环缝变形情况，与标准垂线对比，可反推倾斜角γ；

D.根据隧道平铺图上环与环之间接缝的呈现形状，判断扫描仪行进向误差α角；

D-1.同C-1、C-2扫描断面上点，在标准椭圆坐标系下坐标与测量坐标系坐标之间的关系相同，替换扫描面与隧道横断面倾斜角为行进向倾斜角α，可得：

F(h)＝2.75tan(α)*cos(2π/3-h/2.75)-Z_ootan(α)h＞＝0且h＜＝11π/3，

式中：F(h)＝Y_oo(t_F)-Y_F；

D-2.在隧道展开图中，环缝呈现形状与实际缝位置的差值与扫描中心Z坐标和α角有关，分别使用不同的α值，可计算出不同的环缝呈现形状，曲线的走向与无角度偏差竖直缝对比可反解出α值；

E.选取隧道平铺图管片上环与环之间的缝，选取环缝上多个点，结合像素横向和纵向分辨率，恢复点坐标(h_j Y_oo(t_F)_j)(j＝1,...,n)，每条缝均解得与之对应α和γ角，

对点云中任意点寻求与之距离最近的缝，使用该缝的角度纠正对应点，对所有点纠正角度误差后，重新生成隧道平铺图，点云纠正后，再通过步骤B所示纠正β角度偏差，可得精准的隧道点云模型。

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