CN114049457A - 一种基于点云数据提取运营期隧道接触网高度和拉出值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于点云数据提取运营期隧道接触网高度和拉出值的方法，属于隧道工程测量技术领域。本发明公开了一种基于点云数据提取隧道导高和拉出值的方法，该方法通过改进的双向投影法提取隧道中轴线，利用隧道中轴线走向提取隧道横断面。由断面点云的相对位置关系，通过初步粗提取轨道与接触网部分点云数据，再根据其点云特征，通过设置一定阈值精确提取出轨道与接触网三个特征点，最终由三角形几何关系获得隧道某一断面的导高和拉出值。本发明的优点是，利用三维激光点云数据提取隧道断面的效率高、精度高、智能化，并且可以得到相对应的断面的导高和拉出值，大大提高了测量效率和精确性。

Description

一种基于点云数据提取运营期隧道接触网高度和拉出值的 方法

技术领域

本发明属于隧道工程测量技术领域，具体涉及一种基于点云数据提取运营期 隧道接触网高度(通常称为“导高”)和拉出值的方法。

背景技术

地铁隧道在运营过程中需要维修和检测，接触网高度(通常称为“导高”) 为接触导线下边界到轨道平面的垂直距离，接触网导线高度的测量位置主要在接 触线定位点、每根吊弦点和接触线最低点。如果接触网导线过高则会使电弓离线 产生电弧烧损接触线和受电弓，过低则会危及人员和超限货物的安全，另外很小 的距离内接触网高度(即导线坡度)变化过大时，易产生电弧影响弓网受流质量， 加大滑板的导线的磨损。接触线拉出值是指定位点处接触线与受电弓中心线之间 的距离值。直线区段处，列车在行驶过程中受电弓中心线与线路中心线重合，拉 出值即弓网接触点的垂直投影与线路中心线的距离。曲线区段上，由于线路外轨 与内轨间存在高度差，列车受电弓随车身向曲线内侧倾斜，受电弓中心线与线路 中心线有一定距离差。弓网接触点随列车位置的移动而移动，拉出值不断变化， 从而达到均匀磨损受电弓滑板的目的。如果拉出值过大会造成刮弓、断线等事故。

传统的地铁隧道结构健康检测大多采用全站仪、钢尺、三角板等测量仪器与 人工作业配合相结合的方法，隧道在施工、竣工验收以及运营期的测量工作量大 以及传统测量方法观测劳动强度高，观测精度受到观测条件和作业人员的素质高 低的影响，并且监测的断面为离散点、实测断面数量有限、且精度受光线影响较 大等等。因此需要一种高精度、高效率、智能化的测量方式，三维激光扫描技术 三维激光扫描仪无接触测量，能高密度、高分辨率地获取扫描隧道的海量点云数 据，对光线条件没有要求，并且可以一次性快速、完整、全方位地采集隧道内部 的数据，通过后处理可以得到运营隧道任意里程的导高和拉出值。

目前诸多学者对三维激光扫描在隧道中的应用进行了大量的研究，但主要是 对隧道施工及运维过程中隧道的变形以及对衬砌环间错台量的提取做了研究，针 对隧道运营过程中导高和拉出值的研究较少，并没有提出详细系统的提取方法。 本文提出一种适应于隧道运营过程中提取导高和拉出值的方法：提出基于每环对 应的断面提取导高和拉出值的方法，来指导运营期隧道健康检测。

发明内容

本发明旨在提供一种简单、快速而又准确的提取隧道运营期导高和拉出值的 方法，用于指导隧道运营期的维护。

为了达到上述目的，本发明提出一种基于点云数据提取隧道运营期导高和拉 出值的方法，该方法包括以下步骤：

第一步：点云数据获取

利用站式三维激光扫描仪，进行现场扫描获取隧道点云数据；

第二步：隧道中轴线提取

在隧道的整体点云数据处于绝对坐标系下后，提取表达隧道的姿态和走势的 空间曲线，即隧道的边界线，将隧道点云数据向XOY面投影获取边界部分点云， 采用最小二乘法拟合出边界部分点云的平面方程，将隧道点云数据投影至YOZ 面上，提取出上边界点，利用RANSAC随机采样一致性算法结合最小二乘法拟合 一条二次曲线，将此二次曲线投影至XOY面所拟合的平面上得到隧道的空间三维 中轴线，通过中轴线获取隧道走向与坐标轴夹角；

第三步：运营期隧道断面的提取

在隧道的整体点云数据处于绝对坐标系下后，为提取不同里程、不同环数的 断面，采用双向投影法得出隧道中轴线走向，将需要提取断面里程处的中轴线与 XOY平面夹角以及与YOZ平面夹角提取出，运营期隧道的点云数据经过旋转使其 母线平行坐标系的某一坐标轴，然后通过合理设置断面点到平面的距离来截取断 面；

第四步：隧道导高值和拉出值的提取

将第三步获取的横断面点云数据投影到二维平面，将点云中心平移至坐标轴 中心，根据坐标的范围确定出轨道点云位置和接触网点云位置，进而确定出两条 轨道中心点位置和导线底点位置坐标，根据两个轨道中心坐标和导线底点位置坐 标确定出导高和拉出值。

有益效果

本发明旨在提供一种简单、快速而又准确的提取隧道运营期导高和拉出值的 方法，用于指导隧道施工和竣工验收以及运营期间的维护。

1)方法的适用性。针对于隧道既有线，利用双向投影法得出隧道点云与某 一坐标轴的角度，并进行旋转，用点到面的距离应用于断面的提取，进行导高值 和拉出值的计算分析，并结合北京某号地铁线路，验证了该方法对于隧道在运营 期的适用性。

2)方法的优点。三维激光扫描技术是一种高精度、高效率、智能化的测量 方式，通过后处理可以快速准确的得到隧道任意里程的横断面以及导高和拉出 值。与其它方法相比，该方法较为简单、快速、方便、充分利用海量点云原始数 据、对于计算机配置无要求、高精度、高效率。

附图说明：

图1：技术路线图；

图2：隧道中轴线提取过程图；

(a)某环附近点云的选取

(b)双向投影到xoy平面和xoz平面

(c)提取边界点后的xoz图形

(d)拟合上边界点为一条直线

(e)提取出的中轴线

(f)提取边界点后的三维点图形进行平面拟合

图3：隧道旋转过程图；

(a)旋转前的投影图(b)旋转后的投影图

图4：隧道横断面示意图；

(a)提取断面图(b)投影后的断面图

图5：提取轨道点云范围

(a)(b)轨道点云范围图(c)导高点云范围图

图6：提取轨道中心坐标

(a)提取轨道点云一定厚度范围图

图7：提取的导高点和拉出值示意图；

(a)求导高图(b)求拉出值图

图8：导高和拉出值示意图；

图9：曲线段拉出值示意图；

具体实施方式：

为了便于同行业技术人员的理解，特以北京14号地铁线为实例并配合附图 对本发明的特征和过程作进一步的详细说明，但本发明并不限于以下实施例。

第一步：点云数据获取

为获取较为精确的点云数据，需合理的选取测站间距和扫描分辨率。

在测站间距和扫描分辨率确定后，进行现场扫描；在扫描的同时，用全站仪 对扫描仪和标靶的位置进行测量，确定测站和标靶的绝对坐标。

三维激光扫描仪每次获取的点云数据都是以仪器中心为依据建立独立内部 坐标系来获得点云坐标信息，对于多站点云数据只有通过各坐标系之间的精密转 换，才能得到整个隧道统一点云坐标信息。隧道点云拼接一般基于标靶拼接，在 相邻两站重叠区域布设多个标靶，并保证有三个以上非同一直线上的标靶位于两 站之间的重叠区域。通过公共的标靶点参数转化完成整体点云的坐标系统一。在 整体点云坐标系统一后，需要给标靶和测站点赋予用高精度全站仪测量的绝对坐 标，使整体点云数据处于绝对坐标系下。

测站间距的主要影响因素是隧道的内径尺寸和激光扫描时的最大入射角。三 维激光的入射角越大采集到的点云误差越大，而最大入射角θ_max与测站间距S和 隧道直径D有固定的几何关系，其建立的几何关系式为：

式(1)中：θ_max为扫描范围内最大的入射角，S为测站间距，D为隧道的最大宽 度。通过试验验证：当入射角大于60°时，误差急剧增加，由式(1)得，当θ_max＝60°时，S＝1.7D。

扫描仪设置的分辨率越高扫描得到的点云越密，测量精度就越高，扫描所需 的时间也就更长。因此我们需要根据不同档次扫描分辨率的时间与点云数据精度 的要求来合理的确定分辨率。在测站间距和扫描分辨率确定后，进行现场扫描， 获取隧道点云数据。

第二步:隧道中轴线提取

双向投影法中轴线的提取

隧道的中轴线是表示隧道走势的空间曲线，提取的隧道断面点云与隧道中轴 线处处垂直，所以中轴线的准确性影响着隧道点云数据的后续处理，本方法通过 双向投影法提取特征点云，基于RANSAC算法并结合最小二乘法提取曲线隧道中 轴线。

提取中轴线的具体步骤为：

1)设以三维激光扫描仪为坐标原点，Y轴为隧道走向方向，X轴与Y轴垂直 且两轴均位于横向扫描面内，Z轴位于竖向扫描面内，三个轴互相垂直构成右手 坐标系。首先将隧道点云数据投影至XOY面上，如图2(b)所示。提取隧道投影 两侧的边界点集，如图2(f)所示。

2)根据提取出边界点的xyz坐标值，拟合平面。设平面的方程为：

z＝ax+by+c (2)

从提取出来的边界点云集中随机抽取3个数据点，若这三点不共线，则将三 个点的坐标代入方程，解算出参数a、b、c的，得到平面模型方程Z₁。否则重新 选取三个点进行计算。数据点与参数模型的误差用各个点到平面的距离来表示， 计算边界点云集内各个剩余点到平面Z₁的距离d_i。算出平均距离d_p，数据点到 平面的距离与平均距离的标准差为σ。选取误差最小的有效模型，对该模型中的 所有有效数据点进行最小二乘法拟合平面，最终得出参数的平面方程。

3)将隧道点云数据投影至YOZ面上，如图2(c)所示。提取出上边界点。利 用RANSAC随机采样一致性算法结合最小二乘法拟合一条二次曲线，如图。作为 两个边界的表达式，即：

4)将上述3)计算得出在YOZ面的上边界投影到2)中所拟合出的平面，即 得到了隧道的空间三维中轴线，如图2(e)所示。

第三步：隧道断面的提取

提取横断面的具体步骤为：

1)由于已经求出中轴线信息，提取出需要求取里程的中轴线的法向量方向 信息，将原始隧道点云数据经过旋转、平移，使隧道点云数据的母线平行于坐标 y轴。隧道母线平行坐标y轴如图4(a)所示。[x_iy_iz_i]^T和变化后的坐标[x'_iy'_iz'_i]^T有式(3)中的转换关系：

2)根据隧道的设计文件，可以得到不同里程(环数)断面的设计坐标(X,Y,Z), 利用平面的法向量

和设计坐标可得到该平面的方程，如公式(4) 所示。

3)利用经过旋转、平移之后的隧道表面的点云数据到该平面的距离进行截 取隧道横断面，如图4所示。合理设置点到平面距离δ，根据公式(5)进行隧道 的断面厚度的设置：

|y-Y|<δ (5)

第四步：导高和拉出值的提取

1.直线段导高和拉出值提取

提取导高和拉出值的具体步骤为：

1)接触导线高度(导高)为接触导线下边界到轨道平面的垂直距离，如图 8所示。提取里程方向对应某一环的断面点云数据进行分析，首先分析提取出的 断面点云中心点，因已经提取出中轴线位置信息，可以得到断面中心点的位置坐 标,然后将断面点云的中心平移至坐标轴中心。在运营期地铁隧道中可以确定轨 道点云和接触网部分点云大致范围，根据这个大致坐标范围初步粗提取出轨道点 云和接触网点云部分，如图5所示。

2)在粗提取的一侧轨道点云中将轨顶中心位置提取出，方法为提取轨道部 分点云中Z坐标轴方向的最大值，设定一个阈值d，将Z轴方向距离最高点阈值d范围内的点云提取出，计算此部分点云的平均值作为一侧轨道顶的中心点，如 图6所示。同理提取另一侧轨道顶的中心点。在粗提取的接触网点云范围中提取 Z坐标轴方向的最低点，设定一个阈值d，将Z轴方向距离最底点阈值d范围内 的点云提取出，计算此部分点云的平均值作为接触网的导线下边界。

3)通过2)确定出两条轨道顶的中心点坐标和接触网下边界坐标值就可求出 导高和拉出值，如图7(a)所示。

如图7(b)所示，根据三个特征点坐标以及公式(6)分别求出三个三角形 边长

l_i＝((z₁-z₂₎ ²+(x₁-x₂)²)^^1/2 (6)

计算出出三角形的三个边长之后可用海伦公式(7)计算由特征点组成的三 角形面积

S＝(p*(p-a)*(p-b)*(p-c))^^1/2 (7)

其中p＝(a+b+c)/2；

由导高定义可知在此三角形中，此三角形的高即为此断面的导高，用公式(8) 算出此里程断面导高

h＝2S/a (8)

由直线段拉出值的定义可知，拉出值i即为三角形中顶点偏移底边a中心点 的距离，由三角形的几何关系可得拉出值公式(9)

i＝|(c^2-b^2)/(2*a)| (9)

利用公式(8)、(9)即可求出直线区运营隧道导高与拉出值。

2.曲线段拉出值提取

由于直线段与曲线段拉出值定义不同，在计算曲线段拉出值时与直线段不 同，在曲线区段处由于线路中心与受电弓中心线不重合，拉出值由接触线距线路 中心的距离m与线路中心距受化弓中心线的距离C两部分组成，如图8所示。

同直线段一样，可提取出接触网与两侧轨道点云，其中两轨道坐标在Y轴方 向上的差值为超高△h，两轨道中心点与接触网坐标在X轴方向差值为m，而导 高可近似等于H。

图中△h为超高；L为两轨道顶中心距；H在实际中近似为导高，则根据相 似三角形原理可得拉出值S为：

S＝m+c＝m+H△h/L (10)

下面结合北京地铁14号线大井站运营隧道进行一个具体环数的断面点云数 据处理过程，在MATLAB程序中对隧道断面进行提取导高和拉出值，matlab可输 出导高h＝4.042612324001168m；拉出值i＝0.018605684808577m，经过验证， 此方法提取出的导高和拉出值误差较小。

综上所述，本发明旨在提供一种快速准确的提取隧道运营期导高和拉出值的 方法，用于指导地铁隧道运营安全及维护。

Claims (4)

1.一种基于点云数据提取运营期隧道接触网高度和拉出值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：点云数据获取

利用站式三维激光扫描仪，进行现场扫描获取隧道点云数据；

第二步：隧道中轴线提取

在隧道的整体点云数据处于绝对坐标系下后，提取表达隧道的姿态和走势的空间曲线，即隧道的边界线，将隧道点云数据向XOY面投影获取边界部分点云，采用最小二乘法拟合出边界部分点云的平面方程，将隧道点云数据投影至YOZ面上，提取出上边界点，利用RANSAC随机采样一致性算法结合最小二乘法拟合一条二次曲线，将此二次曲线投影至XOY面所拟合的平面上得到隧道的空间三维中轴线，通过中轴线获取隧道走向与坐标轴夹角；

第三步：运营期隧道断面的提取

在隧道的整体点云数据处于绝对坐标系下后，为提取不同里程、不同环数的断面，采用双向投影法得出隧道中轴线走向，将需要提取断面里程处的中轴线与XOY平面夹角以及与YOZ平面夹角提取出，运营期隧道的点云数据经过旋转使其母线平行坐标系的某一坐标轴，然后通过合理设置断面点到平面的距离来截取断面；

第四步：隧道导高值和拉出值的提取

将第三步获取的横断面点云数据投影到二维平面，将点云中心平移至坐标轴中心，根据坐标的范围确定出轨道点云位置和接触网点云位置，进而确定出两条轨道中心点位置和导线底点位置坐标，根据两个轨道中心坐标和导线底点位置坐标确定出导高和拉出值。

2.按照权利要求1所述的一种基于点云数据提取运营期隧道导高和拉出值的方法，其特征在于，所述第二步的具体步骤包括：

1)设以三维激光扫描仪为坐标原点，Y轴为隧道走向方向，X轴与Y轴垂直且两轴均位于横向扫描面内，Z轴位于竖向扫描面内，三个轴互相垂直构成右手坐标系；将隧道点云数据投影至XOY面上，提取隧道投影两侧的边界点集；

2)根据提取出边界点的xyz坐标值，拟合平面；设平面的方程为：

z＝ax+by+c

从提取出来的边界点云集中随机抽取3个数据点，若这三点不共线，则将三个点的坐标代入方程，解算出参数a、b、c，得到平面模型方程Z1；否则重新选取三个点进行计算，数据点与参数模型的误差用各个点到平面的距离来表示，计算边界点云集内各个剩余点到平面Z1的距离di；算出平均距离dp，数据点到平面的距离与平均距离的标准差为σ；选取误差最小的有效模型，对该模型中的所有有效数据点进行最小二乘法拟合平面，最终得出参数的平面方程；

3)将隧道点云数据投影至YOZ面上，提取出上边界点；利用RANSAC随机采样一致性算法结合最小二乘法拟合一条二次曲线；

4)将上述步骤3)计算得出在YOZ面的上边界投影到步骤2)中所拟合出的平面，即得到隧道的空间三维中轴线。

3.按照权利要求1所述的一种基于点云数据提取运营期隧道导高和拉出值的方法，其特征在于，所述第三步中提取隧道横断面，具体步骤为：

1)由于已经求出中轴线信息，提取出需要求取里程的中轴线的法向量方向信息，将原始隧道点云数据经过旋转、平移，使隧道点云数据的母线平行于坐标y轴；

2)根据隧道的设计文件，可以得到不同里程或环数断面的设计坐标(X,Y,Z),利用平面的法向量

和设计坐标可得到该平面的方程；

3)利用经过旋转、平移之后的隧道表面的点云数据到该平面的距离进行截取隧道横断面。

4.按照权利要求1所述的一种基于点云数据提取运营期隧道导高和拉出值的方法，其特征在于，所述第四步中提取隧道导高和拉出值，具体步骤为：

1)提取里程方向对应某一环的断面点云数据进行分析，首先分析提取出的断面点云中心点，确定轨道点云和接触网部分点云大致范围，初步粗提取出轨道点云和接触网点云部分；

2)在粗提取的轨道点云和接触网点云中根据其位置特征，利用阈值精确的提取出轨道坐标位置与接触网下边界位置；

3)直线段与曲线段拉出值定义不同，因此根据里程不同信息，将曲线段与直线段拉出值分别计算，利用三角形几何关系求出某一断面的导高和拉出值。

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