CN112254637B - 一种基于多种融合数据的隧道开挖面扫描装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多种融合数据的隧道开挖面检测方法，所述检测方法包括：基于固定固态激光雷达对三维点云数据进行采集以及处理；通过红外热成像仪采集与渗漏水区域进行自动判定；将多幅红外热成像和可见光图片进行多通道数据融合，并投影到重建后的开挖面三角网格上；根据隧道设计线路数据和设计断面数据计算超欠挖数据。本发明的优点在于：可以同时采集隧道开挖面的三维点云，可见光和红外热成像数据。通过仪器内置算法实时将这三种数据融合到一起。基于隧道设计线路和设计断面数据，可以分析出采集到的每个数据点的超欠挖情况，通过人机交互界面将3D可视化结果展示给用户，该扫描装置携带方便。

Description

一种基于多种融合数据的隧道开挖面扫描装置及检测方法

技术领域

本发明涉及隧道勘探技术领域，尤其涉及一种基于多种融合数据的隧道开挖面扫描装置及检测方法。

背景技术

目前隧道开挖面施工的一个关键步骤是测量开挖面表面的超欠挖数据，现在的施工现场一般是使用全站仪或者三维激光扫描仪进行测量开挖面表面的大地坐标数据；如果是通过全站仪一般凭借测量员的经验测量开挖面上的若干个部位，结合已有的隧道线路和断面设计数据计算出相应的超欠挖值，以此评估整个开挖面的超欠挖情况；如果使用三维激光扫描仪扫描开挖面点云，需要放置多个定位球，通过全站仪测量出定位球坐标并在相关软件中注册点云，最后根据设计数据计算每个点云的超挖值，整个开挖面的超欠挖情况对后续工序的开挖台车放置，初支衬砌铺设都有着重要指导意义。

如果是单纯实用全站仪，通过手动方式测量的数据点个数非常有限，不能全面掌握隧道开挖面的超欠挖情况；使用全站仪手动测点的还有施工干扰严重以及耗时长的问题，同时对技术人员的要求比较高；如果使用三维激光扫描仪，虽然可以全方位采集开挖面点云，但是工业级别的三维扫描仪价格昂贵，无法为每个隧道开挖面都配备一台扫描仪，而且还需要多个软件配合才能得到所需要的结果数据。而且目前在实际应用中是地质人员在开挖面通过肉眼绘制地质素描草图，这种方法的人为误差较大；还有掌子面后方容易出现局部渗漏水的情况，若不能够对掌子面后支及时采取封堵措施，会造成严重的施工事故，影响工程进度，同时也会给施工人员的生命安全带来潜在的风险，因此及时识别掌子面上的渗漏水部位对后续施工非常重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于多种融合数据的隧道开挖面扫描装置及检测方法，解决了现有技术中存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于多种融合数据的隧道开挖面检测方法，所述检测方法包括：基于固定固态激光雷达对三维点云数据进行采集以及处理；通过红外热成像仪采集与渗漏水区域进行自动判定；将多幅红外热成像和可见光图片进行多通道数据融合，并投影到重建后的开挖面三角网格上；根据隧道设计线路数据和设计断面数据计算超欠挖数据。

进一步地，所述基于固定固态激光雷达对三维点云数据进行采集以及处理包括：

控制云台按照指定的角度进行运动，并记录当前水平云台和俯仰云台的角度信息；

当水平云台和俯仰云台停下后，采集当前位置一定时间内的固态激光雷达的点云数据；

对采集的点云数据进行降噪处理，以去掉边缘的激光点和角度不符合要求的激光点；

根据当前水平云台和俯仰云台的角度，将相对于固态激光雷达坐标系下的点云坐标变换到相对于扫描仪坐标系下的坐标，再根据识别的定位球的大地坐标将点云坐标注册在大地坐标系下；

将多个站点采集的数据合并成一个完整的开挖面点云，通过泊松表面重建算法进行三维重建得到开挖面三角网格模型。

进一步地，所述通过红外热成像仪采集与渗漏水区域进行自动判定包括：

当水平云台和俯仰云台停止下后，同时拍摄一张该位置的红外热成像图像和可见光图像；

根据选择的分辨率将红外热成像图像和可见光图像上的像素投影到合成图像上；且该合成图像上的每个像素都包括R、G、B、T四个通道的数据，RGBT四个通道的初始值均为0；

通过插值法计算图片上空缺像素位置处的RGBT，如果合成图像上某个像素位置有多个RGBT数据时，则计算其平均值；

根据合成图像的T通道数据，计算合成图像上温度的分布范围，得到一个可以将这个分布分成两个区间的阈值，并将低于该阈值的图像像素判定为渗水区域；根据RGB三通道与T通道一一对应的关系，同时得到标记渗水区域的可见光图像。

进一步地，所述将多幅红外热成像和可见光图片进行多通道数据融合，并投影到重建后的开挖面三角网格上包括：

获取所述开挖面三角网格模型和所述RGBT数据，使用获取RGBT数据时云台的运动参数，根据球面模型将RGBT数据投影到开挖面三角网格模型上，并记录每个顶点积累的RGBT数值；

遍历开挖面三角网格模型每个顶点，如果某点有多个RGBT数值则计算一个平均值作为这个顶点的最终RGBT数值；如果某点没有RGBT数值，则从该点附近若干个具有有效RGBT数据的顶点取出数值，并计算出一个加权平均值作为该点的最终RGBT数值。

进一步地，所述根据隧道设计线路数据和设计断面数据计算超欠挖数据包括：

通过交互显示屏设置隧道设计线路数据和设计断面数据，填写开挖里程区间使用的不同类型的开挖设计断面；

获取重建后的开挖面三角网格模型使用的点集合，计算某个三维大地坐标点到平曲线的距离和里程值和到竖曲线的距离；

根据得到的所述平曲线的距离和竖曲线的距离相对于设计线路中线的二维相对坐标，计算其到二维设计断面的距离，并将其作为数据点的超欠挖值。

进一步地，所述检测方法还包括对基于Linux嵌入式系统的扫描硬件进行控制的步骤；所述基于Linux嵌入式系统的扫描硬件进行控制包括：

启动扫描仪的嵌入式系统对接入扫描仪的硬件进行自动检测，如果有异常情况则通过显示屏显示；

通过固态激光雷达、可见光相机和红外热成像仪开始采集数据，并控制两轴数字云台进行水平和垂直方向旋转。

一种基于多种融合数据的隧道开挖面扫描装置，它包括设置在两轴数字云台1上的基于Linux嵌入式系统的设备控制与数据处理模块4，并通过使用水平方向转台将基于Linux嵌入式系统的设备控制与数据处理模块4与两轴云台相互连接，设备状态与处理结果显示屏2固定在基于Linux嵌入式系统的设备控制与数据处理模块4上，可以通过显示屏查看设备运行情况和扫描结果数据；固态激光雷达8，红外热成像仪5，可见光工业相机6和红点激光指示器7通过一个长方体壳体组装在一起形成一个传感器仓，传感器仓通过固定在两轴数字云台1中的俯仰电机转台上，可以实现在水平方向和垂直方向的旋转。

本发明具有以下优点：一种基于多种融合数据的隧道开挖面扫描装置及检测方法，可以同时采集隧道开挖面的三维点云，可见光和红外热成像数据。通过仪器内置算法实时将这三种数据融合到一起。基于隧道设计线路和设计断面数据，可以分析出采集到的每个数据点的超欠挖情况，通过人机交互界面将3D可视化结果展示给用户，该扫描装置携带方便。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为重建后的开挖面超欠挖值三维网格模型图；

图3为掌子面正摄影图；

图4为开挖面激光断面图；

图5为掌子面渗水热成像图；

图6为扫描装置结构图；

图中：1-两轴数字云台，2-设备状态与处理结果显示屏，3-设备控制按钮，4-基于Linux嵌入式系统的设备控制与数据处理模块，5-红外热成像仪，6-可见光工业相机，7-红点激光指示器，8-固态激光雷达，9-工程测绘通用三脚架。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1-5所示，本发明涉及一种基于多种融合数据的隧道开挖面检测方法，其包括以下内容：

S1、对基于Linux嵌入式系统的扫描硬件进行控制；

具体为，S11、通过电源键启动扫描仪的嵌入式系统对接入扫描仪的硬件进行自动检测，如果有异常情况则通过显示屏显示；

S12、通过扫描启动按钮，启动固态激光雷达、可见光相机和红外热成像仪开始采集数据，按照系统内置算法控制两轴数字云台进行水平和垂直方向旋转。

S13、内置运行程序结束以后，关闭固态激光雷达、可见光相机和红外热成像仪；

S14、通过电源键关闭扫描仪的嵌入式系统。

S2、基于固定固态激光雷达对三维点云数据进行采集以及处理；

具体为，S21、通过系统内置算法控制云台按照指定的角度进行运动，并记录当前水平云台和俯仰云台的角度信息；

S22、当水平云台和俯仰云台停下后，在当前位置采集3秒的固态激光雷达的点云数据；

S23、对采集的点云数据进行降噪处理，以去掉过近或者过远的激光点和角度过大的激光点；

S24、根据当前水平云台和俯仰云台的角度，将相对于固态激光雷达坐标系下的点云坐标变换到相对于扫描仪坐标系下的坐标，再根据识别的定位球的大地坐标将点云坐标注册在大地坐标系下；

具体为，从固态激光雷达采集到的点云数据是以雷达设备镜头中心为原点的球面坐标(r，θ，)。本发明硬件中的二维云台在嵌入式系统控制下进行水平和俯仰旋转。每次云台运动之后都需要将采集到的球面激光点云坐标，加上云台的水平和俯仰运动参数Alpha和Beta，使之变成相对本发明硬件设备为中心的坐标。当完成本发明硬件内置的扫描程序之后就可以得到一个相对于当前放置的本发明硬件中心的完整开挖面三维点云。要进行超欠挖分析，还需要将开挖面三维点云转换到大地坐标系下与设计断面进行对比。在扫描仪后方放置三个棱镜球，用全站仪测量棱镜球中心坐标，再通过本发明的人机交互界面输入三个棱镜球中心的大地坐标坐标并通过屏幕按钮启动扫描设备自动扫描和识别出三个棱镜球的点云，通过球面拟合算法得到三个棱镜球中心在以本发明硬件为原点的坐标值。以三个棱镜球中心组成的三角形在两个不同坐标系下的位置关系可以计算出一个平移矩阵和一个旋转矩阵，将这两个矩阵相乘得到一个变换矩阵，就可以将一个完整开挖面从以本发明硬件局部坐标系下变换到大地坐标系下。

S25、将多个站点采集的数据合并成一个完整的开挖面点云，通过泊松表面重建算法进行三维重建得到开挖面三角网格模型。

具体为，泊松曲面重建属于隐函数方法实现。泊松表面重建的算法融合了全局和局部方法的优点，采取隐性拟合的方式，通过求解泊松方程来取得点云模型所描述的表面信息代表的隐性方程，通过对该方程进行等值面提取，从而得到具有几何实体信息的表面模型

S251、定义八叉树：使用八叉树结构存储点集，根据采样点集的位置定义八叉树，然后细分八叉树使每个采样点都落在深度为D的叶节点；

S252、设置函数空间：对八叉树的每个节点设置空间函数F，所有节点函数F的线性和可以表示向量场V，基函数F采用了盒滤波的n维卷积；

S253、创建向量场：均匀采样的情况下，假设划分的块是常量，通过向量场V逼近指示函数的梯度。采用三次条样插值(三线插值)；

S254、求解泊松方程：方程的解采用拉普拉斯矩阵迭代求出；

S255、提取等值面：为得到重构表面，需要选择阈值获得等值面；先估计采样点的位置，然后用其平均值进行等值面提取，然后用移动立方体算法得到等值面。

S3、通过红外热成像仪采集与渗漏水区域进行自动判定；

具体为，S31、当水平云台和俯仰云台停止下后，同时拍摄一张该位置的红外热成像图像和可见光图像；

S32、选择一个合适的分辨率，将红外热成像图像和可见光图像上的像素投影到合成图像上；且该合成图像上的每个像素都包括R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)、T(温度)四个通道的数据，RGB三个通道的初始值均为0，理论取值范围为0～255，T通道初始值均为0℃，理论取值范围为-50℃～+50℃；

S33、通过插值法计算图片上空缺像素位置处的RGBT，如果合成图像上某个像素位置有多个RGBT数据时，则计算其平均值；

S34、根据合成图像的T通道数据，计算合成图像上温度的分布范围，得到一个可以将这个分布分成两个区间的阈值，并将低于该阈值的图像像素判定为渗水区域；根据RGB三通道与T通道一一对应的关系，同时得到标记渗水区域的可见光图像，以方便现场施工人员查看。

S4、将多幅红外热成像和可见光图片进行多通道数据融合，并投影到重建后的开挖面三角网格上；

具体为，S41、获取所述开挖面三角网格模型和所述RGBT数据，使用获取RGBT数据时云台的运动参数，根据球面模型将RGBT数据投影到开挖面三角网格模型上，并记录每个顶点积累的RGBT数值；

本发明中需要将硬件采集到RGBT数据投影到三维开挖面点云上需要利用本发明硬件设备中图像采集设备和激光点云采集设备之间的相对固定的位置关系。将采集到的点云使用图形学中常用的透视投影矩阵变换成二维图像(每个点云都对应了一个像素坐标)，再使用一个经过多次测试验证过的缩放系数可以将这个二维图像大致缩放到硬件采集到RGBT数据使用的二维坐标系上。就可以得到每个点云对应像素坐标处的RGBT值。

S42、遍历开挖面三角网格模型每个顶点，如果某点有多个RGBT数值则计算一个平均值作为这个顶点的最终RGBT数值；如果某点没有RGBT数值，则从该点附近若干个具有有效RGBT数据的顶点取出数值，并计算出一个加权平均值作为该点的最终RGBT数值。

S5、根据隧道设计线路数据和设计断面数据计算超欠挖数据；

具体为，S51、通过交互显示屏设置隧道设计线路数据和设计断面数据，填写开挖里程区间使用的不同类型的开挖设计断面；

S52、获取重建后的开挖面三角网格模型使用的点集合，计算某个三维大地坐标点到平曲线的距离和里程值和到竖曲线的距离；

S53、根据得到的所述平曲线的距离和竖曲线的距离相对于设计线路中线的二维相对坐标，计算其到二维设计断面的距离，并将其作为数据点的超欠挖值；一般系统默认大于0位超挖，小于0位欠挖。

实施例2

如图6所示，本发明的另一种实施例涉及一种基于多种融合数据的隧道开挖面扫描装置，通过设备控制按钮3可以控制整个硬件设备的开机关机和参数设置。将基于linux嵌入式系统的设备控制与数据处理模块4通过接口安装在一个工程测绘通用三脚架9上面上。设备状态与处理结果显示屏2固定方式安装在4上，可以通过显示屏查看设备运行情况，可以查看扫描结果数据。两轴数字云台1通过使用水平方向转台将4与两轴云台相互连接，可以通过相应的设备控制器进行360°进行旋转。固态激光雷达8，红外热成像仪5，可见光工业相机6和红点激光指示器7通过一个长方体壳体组装在一起形成一个传感器仓。传感器仓通过固定在两轴数字云台1中的俯仰电机转台上，可以实现在水平方向360°旋转，垂直方向0°到90°范围内的旋转。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于多种融合数据的隧道开挖面检测方法，其特征在于：所述检测方法包括：基于固定固态激光雷达对三维点云数据进行采集以及处理；通过红外热成像仪采集与渗漏水区域进行自动判定；将多幅红外热成像和可见光图片进行多通道数据融合，并投影到重建后的开挖面三角网格上；根据隧道设计线路数据和设计断面数据计算超欠挖数据；

所述基于固定固态激光雷达对三维点云数据进行采集以及处理包括：

控制云台按照指定的角度进行运动，并记录当前水平云台和俯仰云台的角度信息；

当水平云台和俯仰云台停下后，采集当前位置一定时间内的固态激光雷达的点云数据；

对采集的点云数据进行降噪处理，以去掉边缘的激光点和角度不符合要求的激光点；

根据当前水平云台和俯仰云台的角度，将相对于固态激光雷达坐标系下的点云坐标变换到相对于扫描仪坐标系下的坐标，再根据识别的定位球的大地坐标将点云坐标注册在大地坐标系下；

将多个站点采集的数据合并成一个完整的开挖面点云，通过泊松表面重建算法进行三维重建得到开挖面三角网格模型；

所述通过红外热成像仪采集与渗漏水区域进行自动判定包括：

当水平云台和俯仰云台停止下后，同时拍摄一张该位置的红外热成像图像和可见光图像；

根据选择的分辨率将红外热成像图像和可见光图像上的像素投影到合成图像上；且该合成图像上的每个像素都包括R、G、B、T四个通道的数据，RGBT四个通道的初始值均为0；

通过插值法计算图片上空缺像素位置处的RGBT，如果合成图像上某个像素位置有多个RGBT数据时，则计算其平均值；

根据合成图像的T通道数据，计算合成图像上温度的分布范围，得到一个可以将这个分布分成两个区间的阈值，并将低于该阈值的图像像素判定为渗水区域；根据RGB三通道与T通道一一对应的关系，同时得到标记渗水区域的可见光图像；

所述将多幅红外热成像和可见光图片进行多通道数据融合，并投影到重建后的开挖面三角网格上包括：

获取所述开挖面三角网格模型和所述RGBT数据，使用获取RGBT数据时云台的运动参数，根据球面模型将RGBT数据投影到开挖面三角网格模型上，并记录每个顶点积累的RGBT数值；

遍历开挖面三角网格模型每个顶点，如果某点有多个RGBT数值则计算一个平均值作为这个顶点的最终RGBT数值；如果某点没有RGBT数值，则从该点附近若干个具有有效RGBT数据的顶点取出数值，并计算出一个加权平均值作为该点的最终RGBT数值。

2.根据权利要求1所述的一种基于多种融合数据的隧道开挖面检测方法，其特征在于：所述根据隧道设计线路数据和设计断面数据计算超欠挖数据包括：

通过交互显示屏设置隧道设计线路数据和设计断面数据，填写开挖里程区间使用的不同类型的开挖设计断面；

获取重建后的开挖面三角网格模型使用的点集合，计算某个三维大地坐标点到平曲线的距离和里程值和到竖曲线的距离；

根据得到的所述平曲线的距离和竖曲线的距离相对于设计线路中线的二维相对坐标，计算其到二维设计断面的距离，并将其作为数据点的超欠挖值。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于多种融合数据的隧道开挖面检测方法，其特征在于：所述检测方法还包括对基于Linux嵌入式系统的扫描硬件进行控制的步骤；所述基于Linux嵌入式系统的扫描硬件进行控制包括：

启动扫描仪的嵌入式系统对接入扫描仪的硬件进行自动检测，如果有异常情况则通过显示屏显示；

通过固态激光雷达、可见光相机和红外热成像仪开始采集数据，并控制两轴数字云台进行水平和垂直方向旋转。

4.根据权利要求1所述的一种基于多种融合数据的隧道开挖面检测方法的扫描装置，其特征在于：它包括设置在两轴数字云台（1）上的基于Linux嵌入式系统的设备控制与数据处理模块（4），并通过使用水平方向转台将基于Linux嵌入式系统的设备控制与数据处理模块（4）与两轴云台相互连接，设备状态与处理结果显示屏（2）固定在基于Linux嵌入式系统的设备控制与数据处理模块（4）上，可以通过显示屏查看设备运行情况和扫描结果数据；固态激光雷达（8），红外热成像仪（5），可见光工业相机（6）和红点激光指示器（7）通过一个长方体壳体组装在一起形成一个传感器仓，传感器仓通过固定在两轴数字云台（1）中的俯仰电机转台上，可以实现在水平方向和垂直方向的旋转。