CN112161614A - 一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，属于盾构管片姿态测量方法技术领域，其技术方案的要点是包括以下方法步骤：步骤S1,测点设置；步骤S2,反射片设置；步骤S3,数据采集；步骤S4,坐标转换；步骤S5,点云拼接；步骤S6,姿态偏差值计算；本发明针对盾构管片的特性，采用三维激光扫描技术，能够高效精确的对盾构管片姿态进行测量。

Description

一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法

技术领域

本发明涉及盾构管片姿态测量方法技术领域，特别涉及一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法。

背景技术

随着土地资源的日益紧张，21世纪将迎来地下空间开发利用的高潮，盾构法已在城市隧道建造被广泛应用。通过盾构开挖，安装隧道管片，然后注浆固定，从而完成隧道建设工作。盾构隧道施工过程中，一个关键问题就是隧道是否满足设计限界要求，因此测量成型管片姿态一项非常重要的工作，它直接体现了隧道成型后隧道中心线与设计偏差情况，同时也是对导向系统的检核。

盾构管片姿态指的是盾构掘进中,管片相对于隧道中心线以及盾构机位置的偏差量。传统的盾构管片姿态测量一般采用水平尺法，参照图1，根据成环管片的内径，采用铝合金制作一铝合金标尺2，铝合金标尺2长接近内径。在铝合金标尺2正中央位置做标识，并在其侧面贴上反射片4。测量时，将铝合金标尺2水平放置在某一环片上，首先用水平尺3把铝合金标尺2精确整平，使用全站仪采用极坐标法测量铝合金标尺2中心坐标，即为环片中心坐标；再根据水平标尺与管片的空间几何关系推算出的管片中心轴线的实际三维坐标，再与设计值进行比较，即可得出已拼装管片的姿态。

采用水平尺法对盾构管片进行测量需要利用全站仪设站、支点，然后把水平尺逐环摆放在管片上测量，作业时间长，效率低；并且由于水平尺的安装和调节操作精细，受人工操作影响大，影响对盾构管片姿态测量的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，能够高效精确的对盾构管片姿态进行测量。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，包括以下步骤：

步骤S1,测点设置，沿隧道长度方向设置测点，确定测点坐标；测点数量M＝L/N,其中L为待测区域长度，N为测点间隔；

步骤S2,反射片设置，在相邻测点的采集重合区域设置反射片，每个采集重合区域反射片的数量至少为三个；使用全站仪对各个反射片中心的施工三维坐标进行采集；

步骤S3,数据采集，在测点位置，使用三维激光扫描仪对管片内弧面上的点坐标进行采集，并且将采集点坐标上传至数据处理系统，形成区段点云数据；

步骤S4,坐标转换，数据处理系统将反射片中心作为坐标转换公共点，将模型点云数据的坐标数据转换为施工绝对坐标系的坐标数据；

步骤S5,点云拼接，数据处理系统将各个相邻测点采集的区段点云数据进行拼接，形成模型点云数据；

步骤S6,姿态偏差值计算，在模型点云数据中，在同一隧道轴向坐标上选取至少三个点坐标，通过选取点的坐标对管片的圆心坐标进行计算，生成拟合圆心坐标；将拟合圆心坐标与设计坐标进行比较，获取管片姿态偏差值。

通过采用上述方案，在对盾构管片姿态进行测量时，根据隧道长度合理布置测点为位置以及数量，在相邻测点的采集重合区域设置反射片并且通过测量确定反射片的坐标值，进而利用反射片中心作为坐标转换公共点，对各个测点位置处采集的点云数据进行坐标转换；通过点云拼接，从而计算确定拟合圆心坐标，进而与设计坐标进行对比，获取管片姿态偏差值；本方案综合采用三维扫描技术、并且通过设置区域公共点，对点云数据进行拼接和坐标转换，从而能够高效准确的对管片姿态偏差值进行计算。

较佳的，在执行步骤S5后，执行步骤S51,采样精简，对模型点云数据进行采样精简。

通过采用上述方案，在点云拼接后，对点云数据进行采样精简，进而减少获取的数据，从而减小后期的数据运算，提高运算效率。

较佳的，步骤S51采用混合曲率采样法，包括：

步骤S511，读入模型点云数据，设置采样百分比；

步骤S512，按照设置采样百分比对模型点云数据进行随机采样，获取样本坐标数据；

步骤S513，使用样本坐标数据构建空间单元格，依次对空间单元格的各个坐标点建立邻域；

步骤S514，依次计算空间单元格各个坐标点及其邻域内各点的曲率值，将所有坐标点曲率值的加权平均数设置为比较阈值；

步骤S515，将空间单元格各个坐标点及其邻域内各点的曲率值与比较阈值进行对比，小于比较阈值的做删除标记，大于比较阈值的保存；

步骤S516，对曲率值小于比较阈值的空间单元格的坐标点做随机采样，取消删除标记，然后保存；

步骤S517，存储采样后的坐标点，生成样本点云数据。

通过采用上述方案，通过对模型点云数据进行随机采点，并且在采点位置确定其邻域，通过对比判断，二次筛选等技术手段，对于曲率大的地方选取足够多的点，在曲率小的地方保留较少的点，进而减少不规则区域的模型点云数据的采集，使采集的数据更加具有代表性。

较佳的，在执行步骤S51后，执行步骤S52，数据去噪，对采样精简后的样本点云数据进行数据去噪。

通过采用上述方案，通过对采样精简后的样本点云数据进行数据去噪，进而使样本数据更加平滑，进而通过样本数据进行计算的计算结果更加真实、准确。

较佳的，在步骤S6中，在步骤S6中，采集至少4个均匀分布在同一横截面的点坐标。

通过采用上述方案，通过将采集点设置为至少4个，并且采集均匀分布在横截面上的点坐标，从而能够减少局部的样本误差，使采样结果更加真实准确。

较佳的，步骤S6中选取的同一横截面的采集点位于管片环缝、纵缝的交点位置。

通过采用上述方案，管片环缝、纵缝的交点位置特征明显，易于识别采集。

较佳的，隧道轴线为曲线的区域测点间隔距离小于隧道轴线为直线的区域测点间隔距离。

通过采用上述方案，隧道轴线为曲线的区域，三维激光扫描仪在进行扫描时，覆盖效果较差，因此在隧道轴线为曲线的区域合理增大三维激光扫描仪排布密度，从而能够更好的对盾构管片的点云数据进行扫描。

较佳的，在进行数据采集时，所述三维激光扫描仪与在待测管片上的入射角小于70°。

通过采用上述方案，当三维激光扫描仪与在待测物体之间的入射角过大时，对导致部分扫描数据反馈缺失，进而影响三维扫描的精度；通过将待测管片的扫描入射角限定在70°以内，进而有效保障扫描精度。

较佳的，在步骤S5,将反射片中心作为平面标靶，对相邻测点采集的区段点云数据进行拼接。

通过采用上述方案，利用反射片中心作为平面标靶，对相邻测点采集的区段点云数据进行拼接，从而能够利用坐标转换中生成的数据，减少数据运算量，并且能够更精确的剔除同名点，生成的数据质量好。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、在对盾构管片姿态进行测量时，根据隧道长度合理布置测点为位置以及数量，在相邻测点的采集重合区域设置反射片并且通过测量确定反射片的坐标值，进而利用反射片中心作为坐标转换公共点，对各个测点位置处采集的点云数据进行点云拼接和坐标转换，从而计算确定管片的圆心坐标，进而与设计坐标进行对比，获取管片姿态偏差值；本方案综合采用三维扫描技术、并且通过设置区域公共点，对点云数据进行拼接和坐标转换，从而能够高效准确的对管片姿态偏差值进行计算。

2、对点云拼接获取的模型点云数据，进行混合曲率采用法进行采样精简，然后对精简后的样本点云数据进行数据去噪；采用混合曲率采用法进行采样，不仅能够减少后期的数据运算量，而且在采样过程中不规则区域的模型点云数据的采集少，采集的数据更加具有代表性；通过数据去噪，样本数据更加平滑，进而通过样本数据进行计算的计算结果更加真实、准确。

附图说明

图1是背景技术附图。

图2是基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法的流程框图。

图3是反射片以及三位激光扫描仪在盾构管片内的位置示意图。

图4是三维激光扫描仪测点位置的示意图。

图中，1、盾构管片；2、铝合金标尺；3、水平尺；4、反射片；5、三维激光扫描仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例：

一种基于三维激光扫描技术的盾构管片1姿态测量方法，参照图2，包括以下步骤：步骤S1,测点设置；步骤S2,反射片4设置；步骤S3,数据采集；步骤S4,点云拼接；步骤S5,坐标转换；步骤S6,姿态偏差值计算。

步骤S1,测点设置。参照图3和图4，沿隧道长度方向设置测点，确定测点坐标。测点设置在盾构管片1轴线所在的竖直平面上，图中，A为盾构管片1的轴线方向，B为盾构管片1的径向方向。测点数量M＝L/N,其中 L为待测区域长度，N为测点间隔。在进行三维激光扫描仪5的测点设置时，要合理设置测点间隔，使在采集范围内，三维激光扫描仪5与在待测管片上的入射角小于70°，从而保证三维激光扫描仪5在采集时，反馈数据的准确性。一般在直线段隧道，测点间隔N为20米；在曲线段隧道，测点间隔N为10米，进而根据各个区段的长度确定所要设置的三维激光扫描仪5 的数量和坐标位置。

步骤S3,数据采集，在测点位置，使用三维激光扫描仪对管片内弧面上的点坐标进行采集，并且将采集点坐标上传至数据处理系统，形成区段点云数据；

步骤S4,坐标转换，数据处理系统将反射片中心作为坐标转换公共点，将模型点云数据的坐标数据转换为施工绝对坐标系的坐标数据；

步骤S5,点云拼接，数据处理系统将各个相邻测点采集的区段点云数据进行拼接，形成模型点云数据；

步骤S6,姿态偏差值计算，在模型点云数据中，在同一隧道轴向坐标上选取至少三个点坐标，通过选取点的坐标对管片的圆心坐标进行计算，生成拟合圆心坐标；将拟合圆心坐标与设计坐标进行比较，获取管片姿态偏差值。

步骤S2,反射片4设置。参照图3和图4，在相邻测点的采集重合区域设置反射片4，每个采集重合区域反射片的数量至少为三个；使用全站仪对各个反射片中心的施工三维坐标进行采集，通常将反射片4的数量设置为4个以上。全站仪将采集的反射片中心的施工三维坐标上传至数据处理系统，带后续进行使用。数据处理系统为基于智能硬件的软件系统，包括全站仪系统软件、三维激光扫描仪5系统软件以及MATLAB等数据处理软件。

步骤S3,数据采集。在测点位置，在测点位置，使用三维激光扫描仪5 对管片内弧面上的点进行采集，并且将采集点坐标上传至数据处理系统，形成区段点云数据。在进行数据采集时，可以采用多个三维激光扫描仪5，也可以利用三维激光扫描仪5在各个测点依次进行扫描采集。点云数据是指扫描资料以点的形式记录，每一个点包含有三维坐标，有些可能含有颜色信息(RGB)或反射强度信息。

步骤S4,坐标转换。使用数据处理系统，将反射片4中心作为坐标转换公共点，将点区段点云数据的坐标数据转换为施工绝对坐标系的坐标数据。利用反射片4十字丝中心作为坐标转换公共点，通过七参数解算，将区段点云数据的坐标系统转换到施工的绝对坐标系中来。两坐标的转换模型为：

其中，是尺度变换参数，我们把点云数据的坐标系转换看作是刚性转动，不存在尺度变化和投影变换，因此，λ＝1。[x,y,z]^T是三个平移量。 R(α，β，γ)是关于三个旋转参数的正交矩阵。

步骤S5,点云拼接。将反射片中心作为平面标靶，将各个相邻测点采集的区段点云数据进行拼接，形成模型点云数据。本发明采用基于特征标靶点云拼接。拼接的原理是在测点之间的同名点，即布置在测区内的标靶进行扫描，对标靶的几何中心进行搜索解算。利用全站仪对每个标靶坐标进行采集，将全站仪测量的标靶坐标赋值给结算的标靶几何中心点，进而通过步骤S4中的七参数解算。在完成点云拼接后，还要对拼接后的点云数据进行步骤S51，采样精简。采样精简是通过数据采样，减少获取目标数据的数量，从而提高运算效率。步骤S51，采样精简，采用混合曲率采样法，包括：步骤S511，读入模型点云数据，设置采样百分比；步骤S512，按照设置采样百分比对模型点云数据进行随机采样，获取样本坐标数据；步骤S513，使用样本坐标数据构建空间单元格，依次对样本坐标数据中的各个坐标点建立邻域；步骤S514，依次计算空间单元格各个坐标点及其邻域内各点的曲率值，将所有坐标点曲率值的加权平均数设置为比较阈值；步骤S515，将空间单元格各个坐标点及其邻域内各点的曲率值与比较阈值进行对比，小于比较阈值的做删除标记，大于比较阈值的保存；步骤S516，对于小于比较阈值的部分点云再次做随机采样，取消删除标记，然后保存；步骤S517，存储采样后的点云，结束。通过采用混合曲率采样法，在平滑的圆弧过渡区，多采集点，对比较平直的线段区域减少采集点的数量，从而使拟合的图形更加趋于真实。

在执行步骤S51后，执行步骤S52，数据去噪，对采样精简后的样本点云数据进行数据去噪。数据去噪包括异常点剔除以及数据平滑。样本点云数据进行排序，Pi即为i个点。第在进行异常点剔除时，将Pi的两侧的点P(i-1)和P(i+1)相连，形成弦l，计算Pi到弦l的距离e,并且将距离e与标准偏差ε进行对比，当e＞ε时，剔除当前Pi的坐标数据。数据平滑采用高斯滤波法，通过对整幅图像进行加权平均，每一个像素点的值，都由其本身和邻域内的其他像素值经过加权平均后得到，从而能够有效的减小高频噪声。

步骤S6,姿态偏差值计算。在点云数据中，在同一横截面采集至少三个点坐标，通常情况下采集至少4个均匀分布在同一横截面的点坐标，优选的，采集的同一横截面的采集点位于管片环缝、纵缝的交点位置。管片环缝和纵缝形成的交点位置为绕管片圆心均布的点，将管片环缝和纵缝形成的交点作为采集点，三维激光扫描仪5扫描反馈的数据特征明显，易于进行特征识别，进而能够高效准确从点云数据中对目标采集点进行采集。通过圆心拟合确定管片的圆心坐标。圆心坐标可以通过求弦长中垂线的交点获得，通过将任意两个截面上点相连，形成标准弦，进而计算生成圆心坐标数据。将拟合圆心坐标与设计坐标进行比较，从而获取管片姿态偏差值。设Z轴为隧道轴线方向，管片姿态偏差值包括拟合圆心坐标与设计坐标圆心坐标在X轴以及Y轴方向上的偏差值以及拟合圆心坐标与设计坐标圆心坐标的偏差距离。通过对拟合圆心坐标与设计坐标圆心坐标的X轴和 Y轴坐标进行作差，即可求得X轴以及Y轴方向上的偏差值；进而通过X 轴以及Y轴方向上的偏差值对拟合圆心坐标与设计坐标圆心坐标的偏差距离进行计算。

本实施例的具体实施原理为：

在需要对盾构管片1姿态进行测量时，根据隧道形状特性，对三维激光扫描仪5测点位置进行设定，进而在各个测点，通过三维激光扫描仪5 对盾构管片1的点云数据进行扫描采集。通过在相邻的扫描区段设置反射片4，以反射片4中心作为公共点对各个区段的扫描的区段点云数据进行坐标转换以及点云拼接。在完成点云数据的拼接后，通过采用混合曲率采样法对模型点云数据进行精简，进而减少运算的数据量，提高运算效率。并且通过数据去噪，排除异常点，抑制噪声数据。对采样去噪后的样本点云数据进行圆心拟合确定管片的圆心坐标，将拟合圆心坐标与设计坐标进行比较，从而获取管片姿态偏差值。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1,测点设置，沿隧道长度方向设置测点，确定测点坐标；测点数量M＝L/N,其中L为待测区域长度，N为测点间隔；

步骤S2,反射片设置，在相邻测点的采集重合区域设置反射片，每个采集重合区域反射片的数量至少为三个；使用全站仪对各个反射片中心的施工三维坐标进行采集；

步骤S3,数据采集，在测点位置，使用三维激光扫描仪对管片内弧面上的点坐标进行采集，并且将采集点坐标上传至数据处理系统，形成区段点云数据；

步骤S4,坐标转换，数据处理系统将反射片中心作为坐标转换公共点，将模型点云数据的坐标数据转换为施工绝对坐标系的坐标数据；

步骤S5,点云拼接，数据处理系统将各个相邻测点采集的区段点云数据进行拼接，形成模型点云数据；

步骤S6,姿态偏差值计算，在模型点云数据中，在同一隧道轴向坐标上选取至少三个点坐标，通过选取点的坐标对管片的圆心坐标进行计算，生成拟合圆心坐标；将拟合圆心坐标与设计坐标进行比较，获取管片姿态偏差值。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于：在执行步骤S5后，执行步骤S51,采样精简，对模型点云数据进行采样精简。

3.根据权利要求2所述的一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于，步骤S51采用混合曲率采样法，包括：

步骤S511，读入模型点云数据，设置采样百分比；

步骤S512，按照设置采样百分比对模型点云数据进行随机采样，获取样本坐标数据；

步骤S513，使用样本坐标数据构建空间单元格，依次对空间单元格的各个坐标点建立邻域；

步骤S514，依次计算空间单元格各个坐标点及其邻域内各点的曲率值，将所有坐标点曲率值的加权平均数设置为比较阈值；

步骤S515，将空间单元格各个坐标点及其邻域内各点的曲率值与比较阈值进行对比，小于比较阈值的做删除标记，大于比较阈值的保存；

步骤S516，对曲率值小于比较阈值的空间单元格的坐标点做随机采样，取消删除标记，然后保存；

步骤S517，存储采样后的坐标点，生成样本点云数据。

4.根据权利要求2所述的一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于，在执行步骤S51后，执行步骤S52，数据去噪，对采样精简后的样本点云数据进行数据去噪。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于：在步骤S6中，采集至少4个均匀分布在同一横截面的点坐标。

6.根据权利要求5所述的一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于：步骤S6中选取的同一横截面的采集点位于管片环缝、纵缝的交点位置。

7.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于：隧道轴线为曲线的区域测点间隔距离小于隧道轴线为直线的区域测点间隔距离。

8.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于：在进行数据采集时，所述三维激光扫描仪与在待测管片上的入射角小于70°。

9.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的盾构管片姿态测量方法，其特征在于：在步骤S5,将反射片中心作为平面标靶，对相邻测点采集的区段点云数据进行拼接。

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