CN112036508A - 一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于盾构隧道衬砌结构的接缝自动识别方法,其特征在于包括以下步骤:S1:使用移动扫描系统进行盾构隧道三维点云采集;S2:隧道内壁正射投影图像生成;S3:螺栓孔特征识别;S4:盾构隧道纵接缝提取;S5:先验结构模板环生成;S6:盾构隧道横接缝提取。本发明具备以下优点:从盾构隧道衬砌结构的特点出发,选取具有较强结构特征的螺栓孔作为识别特征,间接提取接缝信息,可以在一定程度上排除隧道内壁扫描遮挡、附属设施干扰的影响,精度高、鲁棒性强。采用先验结构模板环的方式进行横接缝识别,对通缝、错缝隧道均具有较好的识别效果,操作简便、通用性强,适合于实际工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道测量技术领域,具体涉及一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法。
背景技术
近年来,随着我国城市轨道交通行业的迅猛发展,地铁隧道的数量和地铁运营长度急剧增加,地铁已成为城市中最主要的通勤工具,并随之产生大量的地铁隧道安全监测与维护工作。盾构隧道以其安全、环保、快速的优点在地铁工程建设过程中被大量应用,盾构法隧道最显著的特点是结构存在大量接缝,1km长的单圆盾构隧道其接缝总长度是隧道自身长度的20余倍,盾构隧道接缝位置往往是拼装隧道的薄弱环节,管片横、纵接缝是描述隧道环拼装的重要结构特征。
隧道里程定位与拼装环块分割取决于对接缝的准确识别提取,隧道接缝信息的提取是完成隧道错台计算、全断面收敛、BIM模型生成等后续成果的必备前提。
专利201410726695.1公开了基于三维扫描技术提取隧道错台的方法,通过激光扫描影像获取隧道接缝信息,接缝信息为人工采集,效率过低。
专利201811566725.1公开了一种基于盾构隧道影像的管片接缝位置自动识别方法,该方法需要实现构建训练集与测试集,图像数据处理量较大,操作较繁琐且易受隧道内线状附属结构干扰。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术不足,提供一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法,该方法采用移动扫描系统采集盾构隧道三维点云,根据盾构隧道结构特征,自动识别盾构隧道衬砌结构中特征较明显的螺栓孔,间接提取盾构隧道中横、纵接缝的位置,可广泛用于通缝、错缝隧道环缝的自动提取。
为了实现上述目的,本发明提供一种基于盾构隧道衬砌结构特征的环缝自动识别方法,包括步骤如下。
S1:使用移动扫描系统进行盾构隧道三维点云采集。
S2:隧道内壁正射投影图像生成。
S3:螺栓孔特征识别。
S4:盾构隧道纵接缝提取。
S5:先验结构模板环生成。
S6:盾构隧道横接缝提取。
进一步的,所述的S2步骤中,使用圆柱投影模型进行盾构隧道正射投影,生成隧道内壁正射影像图,此图像用于接缝的人工先验选取与接缝识别结果验证。
进一步的,所述的S3步骤中,包含以下步骤。
S31: 选取隧道图像上包含螺栓孔的区域范围,沿隧道里程方向进行采样,计算相应点到断面拟合椭圆中心的距离,同时为了剔除附属设施遮挡影响,在同一断面采样点集中选取距离最大值作为当前断面采样距离,构成采样点集合G。
S32:利用螺栓孔设计宽度t_w与深度t_d作为阈值,对采样点集合G中的点进行聚类分割算法,识别到全部t个聚类,构成聚类重心点集J。
S33:点集J中包含两类点,分别为螺栓孔聚类点J_1,隧道壁点J_2,对识别到的全部聚类重心使用宽度为6的滑动窗口计算窗口内聚类重心平均值k,将窗口内距离小于k的点作为隧道壁点J_2,将距离大于k的点作为螺栓孔点J_1,将全部J_1构成螺栓孔点集H。
进一步的,所述的S4步骤中,将全部理论接缝里程位置构成为l,遍历选取螺栓孔
点集H中点Hi,在l中遍历查找距离Hi最近的点l i ,如果Hi<l i ,将Hi放入点集Hleft,如果Hi>l i ,
将Hi放入点集Hright,取Hleft与Hright中距离最近的一对点pl与pr,则盾构隧道当前纵接缝位置
p_h为:。
进一步的,所述的S5步骤中,包含以下步骤。
S51:根据隧道实际情况,人工选择1-3环接缝位置作为先验位置信息,将第i环接缝位置构成点集Oi。
S52:使用S3步骤中的算法提取第i环中的螺栓孔点集Hi,遍历Hi中的螺栓孔,在点集Oi中寻找距离当前螺栓孔最近的接缝,储存当前接缝与螺栓孔的位置关系索引h-oi存入位置关系索引集合HOi。
S53:将全部环的HOi取并集,构成整体先验结构模板环集合HO。
进一步的,所述的S6步骤中,由于区间内某横接缝待识别环i与S5中的结构模板环具有相同的拼装方式,具有相同的“接缝-螺栓孔”对应关系,仅与“结构模板环”存在绕隧道轴线的旋转角θ,θ取值范围为0°-360°。待识别环i中识别到的螺栓孔集合Hi是结构模板环中螺栓孔集合HO的子集,当确定正确的旋转角θ后,就可以得到各螺栓孔的正确匹配。按照0°~360°的旋转角θ对待识别环i进行旋转,将待识别环i采用S3步骤算法提取螺栓孔点集Hi,之后遍历结构模板环HO中的螺栓孔集合,匹配查找Hi中各螺栓孔对应的结构模板环HO中方位角差最小的螺栓孔,计算当前旋转角θ下平均角差δ,将全部θ取值下的δ加入平均角差集合φ。选取集合φ中最小的平均角差,得到对应的旋转角取值θmin,将待识别环i旋转θmin,遍历查找Hi中各螺栓孔在先验结构模板环HO中距离最近的模板螺栓孔,直接找到对应的横接缝位置,如有重复的接缝位置则取平均值,作为最终的横接缝位置p_z。
本发明采用以上技术方案,具备以下优点。从盾构隧道衬砌结构的特点出发,选取具有较强结构特征的螺栓孔作为识别特征,间接提取接缝信息,可以在一定程度上排除隧道内壁扫描遮挡、附属设施干扰的影响,精度高、鲁棒性强。采用先验结构模板环的方式进行横接缝识别,对通缝、错缝隧道均具有较好的识别效果,操作简便、通用性强,适合于实际工程应用。
附图说明
图1为本发明的操作方法流程图。
图2为本发明实施例中结构特征示意图。
图3为本发明实施例中纵接缝识别示意图。
图4为本发明实施例中模板环生成示意图。
图5为本发明实施例中横接缝匹配曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-5,给出本发明的较佳实施例,对本发明做进一步说明。
附图1为本发明的操作方法流程图,包括步骤如下。
S1:使用移动扫描系统进行盾构隧道三维点云采集。
S2:隧道内壁正射投影图像生成。
S3:螺栓孔特征识别。
S4:盾构隧道纵接缝提取。
S5:先验结构模板环生成。
S6:盾构隧道横接缝提取。
所述的S2步骤中,使用圆柱投影模型进行盾构隧道正射投影,生成隧道内壁正射影像图,此图像用于接缝的人工先验选取与接缝识别结果验证。
附图2中展示了本发明中需要识别的螺栓孔特征,需要提取的横纵接缝样式。
所述的S3步骤中,包含以下步骤,结合附图3中所示参数进行详细说明。
S31: 选取隧道图像上包含螺栓孔的区域范围,沿隧道里程方向进行采样,计算相应点到断面拟合椭圆中心的距离,同时为了剔除附属设施遮挡影响,在同一断面采样点集中选取距离最大值作为当前断面采样距离,构成采样点集合G,显示如图3所示原始点构成的曲线。
S32:利用螺栓孔设计宽度t_w与深度t_d作为阈值,对采样点集合G中的点进行聚类分割算法,识别到全部t个聚类,构成聚类重心点集J。
S33: 如附图3所示,点集J中包含两类点,分别为螺栓孔聚类点J_1,隧道壁点J_2,对识别到的全部聚类重心使用宽度为6的滑动窗口计算窗口内聚类重心平均值k,将窗口内距离小于k的点作为隧道壁点J_2,将距离大于k的点作为螺栓孔点J_1,将全部J_1构成螺栓孔点集H。
所述的S4步骤中,结合附图3中所示参数进行详细说明,将全部理论接缝里程位置
构成为l,遍历选取螺栓孔点集H中点Hi,在l中遍历查找距离Hi最近的点l i ,如果Hi<l i ,将Hi
放入点集Hleft,如果Hi>l i ,将Hi放入点集Hright,如图3所示,取Hleft与Hright中距离最近的一对
点pl与pr,则盾构隧道当前纵接缝位置p_h为: ,位于图3虚线框中。
所述的S5步骤,结合附图4中所示参数进行详细说明,附图4中1-6分别为:1螺栓孔,2横接缝,3先验接缝选取,4接缝—螺栓孔对应关系,5先验接缝合并,6先验结构模板环,具体包含以下步骤。
S51:在本实施例中,选取2环接缝位置作为先验位置信息,如图4中“3先验接缝选取”所示,并将第i环接缝位置构成点集Oi。
S52:使用S3步骤中的算法提取第i环中的螺栓孔(图4中“1螺栓孔”),构成点集Hi,遍历Hi中的螺栓孔,在点集Oi中寻找距离当前螺栓孔最近的接缝(图4中“2横接缝”),储存当前接缝与螺栓孔的位置关系索引h-oi(图4中“4接缝—螺栓孔对应关系”)存入位置关系索引集合HOi。
S53:将全部环的HOi取并集,如图4中“5先验接缝合并”所示,构成整体先验结构模板环集合HO(图4中“6先验结构模板环”)。
所述的S6步骤中,结合附图5进行说明,在本实施例中,按照0°~360°的旋转角θ对待识别环i进行旋转,将待识别环i采用S3步骤算法提取螺栓孔点集Hi,之后遍历结构模板环HO中的螺栓孔集合,匹配查找Hi中各螺栓孔对应的结构模板环HO中方位角差最小的螺栓孔,计算当前旋转角θ下平均角差δ,绘制如图5所示平均角度差随旋转角变化曲线,将全部θ取值下的δ加入平均角差集合φ。选取集合φ中最小的平均角差,得到对应的旋转角取值θmin,如图5所示最小值所指位置。最后,将待识别环i旋转θmin,遍历查找Hi中各螺栓孔在先验结构模板环HO中距离最近的模板螺栓孔,直接找到对应的横接缝位置,如有重复的接缝位置则取平均值,作为最终的横接缝位置p_z。
Claims (7)
1.一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法,其特征在于包括如下步骤:
S1:使用移动扫描系统进行盾构隧道三维点云采集;
S2:隧道内壁正射投影图像生成;
S3:螺栓孔特征识别;
S4:盾构隧道纵接缝提取;
S5:先验结构模板环生成;
S6:盾构隧道横接缝提取。
2.一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法,其特征在于,所述S1步骤中,盾构隧道点云由移动扫描系统采集,点云包含三维坐标位置信息与强度信息。
3.一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法,其特征在于,所述S2步骤中,使用圆柱投影模型进行盾构隧道正射投影,生成隧道内壁正射影像图。
4.一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法,其特征在于,所述S3步骤中,包含以下步骤:
S31: 选取隧道图像上包含螺栓孔的区域范围,沿隧道里程方向进行采样,计算相应点到断面拟合椭圆中心的距离,同时为了剔除附属设施遮挡影响,在同一断面采样点集中选取距离最大值作为当前断面采样距离,构成采样点集合G;
S32:利用螺栓孔设计宽度t_w与深度t_d作为阈值,对采样点集合G中的点进行聚类分割算法,识别到全部t个聚类,构成聚类重心点集J;
S33:点集J中包含两类点,分别为螺栓孔聚类点J_1,隧道壁点J_2,对识别到的全部聚类重心使用宽度为6的滑动窗口计算窗口内聚类重心平均值k,将窗口内距离小于k的点作为隧道壁点J_2,将距离大于k的点作为螺栓孔点J_1,将全部J_1构成螺栓孔点集H;
5.一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法,其特征在于,所述S5步骤中,包含以下步骤:
S51:根据隧道实际情况,人工选择1-3环接缝位置作为先验位置信息,将第i环接缝位置构成点集Oi;
S52:使用S3步骤中的算法提取第i环中的螺栓孔点集Hi,遍历Hi中的螺栓孔,在点集Oi中寻找距离当前螺栓孔最近的接缝,储存当前接缝与螺栓孔的位置关系索引h-oi存入位置关系索引集合HOi;
S53:将全部环的HOi取并集,构成整体先验结构模板环集合HO。
6.一种基于盾构隧道衬砌结构的环缝自动识别方法,其特征在于,所述S6步骤中,按照0°~360°的旋转角θ对待识别环i进行旋转,将待识别环i采用S3步骤算法提取螺栓孔点集Hi,之后遍历结构模板环HO中的螺栓孔集合,匹配查找Hi中各螺栓孔对应的结构模板环HO中方位角差最小的螺栓孔,计算当前旋转角θ下平均角差δ,将全部θ取值下的δ加入平均角差集合φ。
7.选取集合φ中最小的平均角差,得到对应的旋转角取值θmin,将待识别环i旋转θmin,遍历查找Hi中各螺栓孔在先验结构模板环HO中距离最近的模板螺栓孔,直接找到对应的横接缝位置,如有重复的接缝位置则取平均值,作为最终的横接缝位置p_z。
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