CN114109410A - 一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法及装置，涉及隧道工程测量技术领域，通过简单、快速准确测量盾构隧道管片错台量和张开量，真实反映管片实际错台和张开情况。该测量方法包括：步骤1：获取盾构隧道衬砌点云数据。步骤2：基于盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线。步骤3：基于盾构隧道的中轴线获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据。步骤4：基于盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据。步骤5：基于目标环内管片拼装位置的边界点云数据，获取目标环内管片错台量和张开量。所述盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置应用于上述盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程测量技术领域，更具体的说，是涉及一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。
背景技术
随着城市轨道交通建设的发展，地铁隧道建设越来越多。为了保证地铁隧道顺利建设、正常竣工和安全运营，对地铁隧道进行监控量测就显得尤为重要。盾构隧道管片是盾构隧道施工的主要装配构件，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土压力，地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构隧道管片安装质量直接关系到隧道整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。因而在盾构地铁管片安装、竣工、以及运营维护过程中，必须进行盾构隧道衬砌安装质量的测量，使其能够符合工程规范、竣工顺利验收，保证地铁运营期间的安全。
管片错台指相邻管片在空间位置上发生相对位移的现象。错台产生的原因主要是受到不均匀的外力造成的，当某一点受到的集中荷载超过了设计的极限值后，隧道发生偏压现象，导致管片之间产生相对位移。管片错台发展到一定程度时，会引起接缝防水条失效，甚至管片开裂，对地铁的安全运营带来了极大的安全隐患。盾构隧道衬砌一般是通过预制管片拼装而成的，管片间接缝分为纵向接缝和环向接缝，拼缝处是衬砌结构受力的薄弱环节。盾构隧道在施工工程中由于各种原因会出现缝隙，比如：台车振动荷载、渗漏、不同地质、不同埋深、不同施工因素、约束差异、不同地面荷载以及不同周边环境变化等各种因素。盾构隧道的变形特征主要表现为张开量和错台量，在变形或曲率达到一定的量值后，隧道即可能出现缝隙张开量过大而渗水或管片受拉破坏，造成应力过于集中，隧道局部损坏，影响盾构隧道的安全性和使用性。特别是在施工期，由于地层扰动初期盾构隧道不均匀沉降较为严重，隧道相邻管片间出现的张开变形及隧道渗水等工程问题可能会更加明显。
传统的管片安装测量方式存在效率低、工作量大等诸多缺点。而三维激光扫描技术是一种高效率、高精度的测量方式。目前众多学者对三维激光扫描在盾构隧道中的应用进行了大量研究，如王博群、朱宁宁、艾忠亮、郭春生等知名学者，前者基于空间法向量算法提取断面，但对于隧道横断面的提取过于复杂，计算时间较长，对计算机配置要求很高，计算向量分量时必须对点云进行稀释。朱宁宁学者通过点云在水平面上投影后搜索的上下边缘点分别拟合二次曲线求均值得到隧道中轴线，然后以隧道中轴线正交方向截取断面，但是双向投影法提取隧道中轴线只利用了两个方向隧道边界的点云，由于投影后隧道边界点云的数量相对于总体数量较少，极易受提取边界点云的误差和噪声点的影响，产生较大误差。郭春生学者提出根据三维激光扫描获取的隧道内壁正射影像提取相邻管片之间的纵缝，来计算隧道的错缝错台量，但是该算法受点云噪点的影响较大。而且众多学者针对隧道施工及竣工过程中衬砌错台，管片张开量的研究只停留在断面上分析。但该方法提取的值易受断面提取的精度及断面的厚度影响，同一个环内因断面提取的位置不同而提取的错台，张开量也不同，不能够真实反映管片实际错台和张开情况，精度低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，通过简单、快速准确的测量盾构隧道环内管片错台量和张开量，真实反映管片实际错台和张开情况，以指导盾构隧道施工和竣工验收以及运营期的维护。
本发明提供一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法，该方法包括：
步骤1：获取盾构隧道衬砌点云数据；
步骤2：基于所述盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线；
步骤3：基于所述盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据；
步骤4：基于所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据；
步骤5：基于所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据，获取目标环内管片错台量和张开量。
优选地，所述步骤2：基于所述盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线，包括：
步骤2.1：对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影，获得不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点；
步骤2.2：利用最小二乘法和RANSAC算法将不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点分别进行拟合，以获得不同坐标系下拟合出的上下边界线；
步骤2.3：基于不同坐标系下拟合出的上下边界线，获得所述盾构隧道的中轴线。
优选地，所述步骤3：基于所述盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据，包括：
步骤3.1：基于所述盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的空间姿态信息；
步骤3.2：基于所述盾构隧道目标环的空间姿态信息，对盾构隧道目标环点云数据进行转正，以获取所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据。
优选地，所述步骤4：基于所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据，包括：
步骤4.1：判断所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据是否低于发射强度阈值；
步骤4.2：若是，则低于所述反射强度阈值的区域为目标环内管片拼装位置的区域；
步骤4.3：基于所述目标环内管片拼装位置的区域，获取所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据。
优选地，所述步骤5：基于所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据获取目标环内管片错台量和张开量，包括：
步骤5.1：基于所述目标环内拼装位置的边界点云数据，获取目标环内两个相邻的管片边界点云数据；
步骤5.2：将所述目标环内两个相邻的管片边界点云数据分别投影到YOZ平面和XOY平面，以获取YOZ平面上的第一投影边界点云数据和XOY平面上的第二投影边界点云数据，其中，YOZ平面为垂直平面，XOY平面为水平平面，Y轴沿盾构隧道的轴线方向；
步骤5.3：对所述第一投影边界点云数据和所述第二投影边界点云数据分别进行拟合，以获取YOZ平面上的两条第一拟合直线和XOY平面上的两条第二拟合直线；
步骤5.4：计算所述两条第一拟合直线在YOZ平面上的距离，为所述目标环内管片错台量；计算所述两条第二拟合直线在XOY平面上的距离，为所述目标环内管片张开量。
与现有技术相比，本发明提供的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法，具有如下有益效果：本申请首先获取盾构隧道衬砌点云数据，然后根据盾构隧道衬砌点云数据，获取高精度的盾构隧道的中轴线。根据高精度的盾构隧道的中轴线获取高精度的盾构隧道目标环的三维展开点云数据。根据高精度的盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取高精度的目标环内管片拼装位置的边界点云数据。根据高精度的目标环内管片拼装位置的边界点云数据，分别计算得到高精度的目标环内管片错台量和张开量。提取盾构隧道三维点云数据后，通过上述方法高速而准确的提取隧道目标环管片错台量和张开量，与其它方法相比更高效、准确、真实的反映了管片实际错台和张开情况。
本发明还提供一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置，该装置包括：
数据获取模块，用于获取盾构隧道衬砌点云数据；
中轴线模块，用于基于所述盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线；
展开点云获取模块，用于基于所述盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据；
边界点云获取模块，用于基于所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据；
错台量和张开量模块，用于基于所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据，获取目标环内管片错台量和张开量。
优选地，所述中轴线模块包括：
边界点子模块，用于对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影，获得不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点；
边界线子模块，用于利用最小二乘法和RANSAC算法将不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点分别进行拟合，以获得不同坐标系下拟合出的上下边界线；
中轴线子模块，用于基于不同坐标系下拟合出的上下边界线，获得所述盾构隧道的中轴线；
所述展开点云获取模块包括：
空间姿态子模块，用于基于所述盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的空间姿态信息；
转正子模块，用于基于所述盾构隧道目标环的空间姿态信息，对盾构隧道目标环点云数据进行转正，以获取所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据；
所述边界点云获取模块包括：
判断子模块，用于判断所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据是否低于反射强度阈值；
拼装位置区域子模块，用于将低于所述反射强度阈值的区域作为目标环内管片拼装位置的区域；
拼装位置边界点云子模块，用于基于所述目标环内管片拼装位置的区域，获取所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据。
优选地，所述错台量和张开量模块包括：
相邻管片边界点云子模块，用于基于所述目标环内拼装位置的边界点云数据，获取目标环内两个相邻的管片边界点云数据；
投影子模块，用于将所述目标环内两个相邻的管片边界点云数据分别投影到YOZ平面和XOY平面，以获取YOZ平面上的第一投影边界点云数据和XOY平面上的第二投影边界点云数据，其中，YOZ平面为垂直平面，XOY平面为水平平面，Y轴沿盾构隧道的轴线方向；
拟合子模块，用于对所述第一投影边界点云数据和所述第二投影边界点云数据分别进行拟合，以获取YOZ平面上的两条第一拟合直线和XOY平面上的两条第二拟合直线；
距离计算子模块，用于计算所述两条第一拟合直线在YOZ平面上的距离，为目标环内管片错台量；计算所述两条第二拟合直线在XOY平面上的距离，为目标环内管片张开量。
与现有技术相比，本发明提供的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置的有益效果与上述技术方案所述一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明还提供一种电子设备，包括总线、收发器(显示单元/输出单元、输入单元)、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述任一项所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的一种电子设备的有益效果与上述技术方案所述一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的一种计算机可读存储介质的有益效果与上述技术方案所述一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法的流程图；
图2(a)示出了本发明实施例所提供的对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影，提取盾构隧道结构的多向边界点的示意图；
图2(b)示出了本发明实施例所提供的对盾构隧道结构的上下边界点进行拟合形成盾构隧道结构的上下边界线的示意图；
图2(c)示出了本发明实施例所提供的提取的盾构隧道中轴线示意图；
图3(a)示出了本发明实施例所提供的盾构隧道中轴线的斜角示意图；
图3(b)示出了本发明实施例所提供的盾构隧道目标环点云数据转正后的示意图；
图4(a)示出了本发明实施例所提供的目标环点云数据三维展开原理图；
图4(b)示出了本发明实施例所提供的三维展开后得到的盾构隧道目标环的三维展开点云数据；
图5(a)示出了本发明实施例所提供的目标环内管片接缝错台和张开发生位置的示意图；
图5(b)示出了本发明实施例所提供的目标环内管片接缝位置点云及边界点云示意图；
图6(a)示出了本发明实施例所提供的提取错台量的目标环内两个相邻的管片边界点云数据示意图；
图6(b)示出了本发明实施例所提供的对YOZ平面第一投影边界点云数据在垂直方向拟合的示意图；
图6(c)示出了本发明实施例所提供的目标环内两相邻管片之间错台量变化示意图；
图7(a)示出了本发明实施例所提供的提取张开量的目标环内两个相邻的管片边界点云数据示意图；
图7(b)示出了本发明实施例所提供的对XOY平面第二投影边界点云数据在水平方向拟合的示意图；
图7(c)示出了本发明实施例所提供的目标环内两相邻管片之间张开量变化示意图；
图8示出了本发明实施例所提供的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置的示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本实施例中提到的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明，旨在以具体方式呈现相关概念，不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。
传统的管片安装测量方式存在效率低、工作量大等诸多缺点，而三维激光扫描仪可以无接触，快速扫描，对光线条件没有要求、无需或较少布设控制点和观测点、能够实现数据采集和处理一体化、具有实时处理的功能，可大幅度提高工作效率。并且可以直接获取物体表面每个采样点的空间三维坐标，实现由单点测绘到整体测量的跨越。
但是，目前众多学者针对三维激光扫描在盾构隧道中的应用研究，大部分停留在断面上进行分析。但是该方法提取的错台量和张开量易受断面提取精度及断面厚度影响，而且同一环内因断面提取的位置不同而提取的错台和张开量也不同，不能真实准确的反映管片实际错台和张开情况。
基于此，本发明实施例提供一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。图1示出了本发明实施例所提供的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法的流程图。
如图1所示，一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法包括：
步骤1：获取盾构隧道衬砌点云数据。
需要说明的是，完整、高质量盾构隧道点云的提取是管片安装质量测量的工作基础。因此，本发明实施例采用架站式三维激光扫描仪，三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量，可大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标，得到所需的海量“点云数据”。
为获取较为精确的点云数据，本发明实施例选取合理的测站间距和扫描分辨率。在确定测站间距和扫描分辨率后，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。多站现场扫描数据通过拼接和坐标转换获取盾构隧道结构的点云数据，比如盾构隧道衬砌的点云数据。
具体地，扫描时测站间距的选择对点云数据精度具有十分重要的影响，而影响测站间距的主要因素是扫描时最大入射角以及隧道内径尺寸。三维激光的入射角是激光的入射方向与扫描体表面法线的夹角，入射角越大点云数据精度越低。隧道扫描时一般在隧道中线上选取测站点，根据最大入射角与测站间距和隧道宽度具有固定的几何关系，选定测站间距后，最大入射角也随之确定，几何关系为：
其中，θmax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。当θmax＝60°时，S＝1.7D。
当隧道宽度和测站间距都相同，并且都将扫描仪架设在隧道中心线上，隧道曲线段的最大入射角大于直线段，即，
θmax弯>θmax直 (2)
其中，θmax弯为曲线段的最大入射角，θmax直为直线段的最大入射角。
由式(1)和式(2)可知：在隧道宽度相同的条件下，隧道曲线段测站间距应小于直线段。测站间距越小，则入射角越小，点云数据精度越高，但测站间距过小时，需要架设的测站增多，很大程度上降低效率。因此结合上述分析，可以把隧道直线段的测站间距设为S＝2D，曲线段的测站间距设为S＝1.5D。
扫描时点云数据的疏密程度对点云数据精度也具有十分重要的影响。一般通过扫描分辨率的大小体现点云数据的疏密。常常采用测点间距，即点云数据中相邻两点的距离，表示三维激光扫描仪的分辨率δ(mm/m)，测点间距越小，分辨率越高，相应单站所需扫描时间也就越长。因此本发明实施例考虑点云数据精度要求和扫描时间合理的确定扫描分辨率，在现场进行分段式扫描，获取的点云数据利用球形标靶进行拼接。
步骤2：基于盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线。
需要说明的是，中轴线是表示隧道走势的空间曲线，中轴线的准确性影响着隧道点云数据的后续处理。目前提取隧道中轴线的方法有很多，使用较多、方法较成熟的是双向投影法，但该方法只利用隧道上下边的点云，提取的中轴线精度不高。因此，本发明实施例提供步骤2，所述步骤2包括：
步骤2.1：对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影，获得不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点。
图2(a)示出了本发明实施例所提供的对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影提取多向边界点的示意图。如图2(a)所示，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。将盾构隧道衬砌点云数据以y轴为旋转中心分别旋转0°，30°，60°。转换前的点云数据坐标[xiyizi]T和转换后的点云数据坐标[x'iy'iz'i]T关系如式(3)：
其中α为坐标系旋转角度。
可以理解的是，多向投影实质是指将隧道点云投影至xoy\yoz平面上提取隧道最上、最下、最左、最右处点云，然后将原始坐标系旋转30°，再次将隧道点云投影至xoy、yoz平面上提取隧道最上、最下、最左、最右处点云；接着再将原始坐标系旋转60°，与旋转30°时同理。通过在旋转后的不同坐标系下将盾构隧道衬砌点云数据投影到XOY和YOZ平面上，然后在投影平面上提取最上、最下、最左、最右边界点云，在数据库中搜索相应的原始点云坐标，这样就得到了图2(b)所示的原始坐标系上多向边界点云。
步骤2.2：利用最小二乘法和RANSAC算法将不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点分别进行拟合，以获得不同坐标系下拟合出的上下边界线。
如图2(C)所示，在不同坐标系下将盾构隧道衬砌点云数据投影到XOY和YOZ平面上，通过投影的盾构隧道衬砌点云数据提取隧道结构的多向边界点。然后利用最小二乘法和ransac算法将不同角度坐标系下投影的多向边界点云分别拟合成上下边界线，以拟合出的二次方程为该坐标系上边界线的方程，见式(4)和(5)：
其中，axmax，bxmax，cxmax分别为XOY平面上拟合的上边界线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数，axmin，bxmin，cxmin分别为XOY平面上拟合的下边界线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数，xmax为XOY投影面上隧道上边界线X方向坐标，xmin为XOY投影面上隧道下边界线X方向坐标。
其中，azmax，bzmax，czmax分别为YOZ平面上拟合的上边界线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数，azmin，bzmin，czmin分别为YOZ平面上拟合的下边界线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数，zmax为YOZ投影面上隧道上边界线Z方向坐标，zmin为YOZ投影面上隧道下边界线Z方向坐标。
步骤2.3：基于不同坐标系下拟合出的上下边界线，获得盾构隧道的中轴线。
需要说明的是，通过不同角度坐标系下拟合出的上下边界线获取该角度坐标系下的隧道中轴线。具体地，通过XOY和YOZ坐标系上下边界线的方程的参数值得到中轴线的方程的参数，上下边界线的方程和中轴线的方程参数见式(6)和(7)：
其中，axcenter，bxcenter，cxcenter分别为XOY平面上拟合的中轴线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数，axmax，bxmax，cxmax分别为XOY平面上拟合的上边界线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数，axmin，bxmin，cxmin分别为XOY平面上拟合的下边界线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数。
其中，azcenter，bzcenter，czcenter分别为YOZ平面上拟合的中轴线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数，azmax，bzmax，czmax分别为YOZ平面上拟合的上边界线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数，azmin，bzmin，czmin分别为YOZ平面上拟合的下边界线二次方程的二次项系数、一次项系数和常数。
图2(c)示出了本发明实施例所提供的提取的盾构隧道中轴线示意图。如图2(c)是3个角度坐标系下获取的隧道中轴线，然后将拟合成的三条中轴线平均成一条，这条平均中轴线就是拟合出的隧道中轴线。
具体地，每个不同角度斜投的坐标系上计算的中轴线方程的参数平均值为该盾构隧道点云数据中轴线的方程参数，如式(8)：
其中，a0，b0，c0分别为利用坐标旋转0°以后获取的边界点云拟合的上边界线二次方程的二次项系数，一次项系数和常数；a30，b30，c30分别为利用坐标旋转30°以后获取的边界点云拟合的上边界线二次方程的二次项系数，一次项系数和常数；a60，b60，c60为利用坐标旋转60°以后获取的边界点云拟合的上边界线二次方程的二次项系数，一次项系数和常数。
在不同旋转角度投影下拟合的XOY平面上中轴线的二次方程的参数，如下表1。
表1
| 角度(°) | a | b | c |
| 0 | 0.0029 | -0.9526 | 0.4233 |
| 30 | 0.0029 | -0.9532 | 0.4237 |
| 60 | 0.0029 | -0.9526 | 0.4117 |
| 平均值 | 0.0029 | -0.9528 | 0.4195 |
在不同旋转角度投影下拟合的YOZ平面上中轴线的二次方程的参数，如下表2。
表2
| 角度(°) | a | b | c |
| 0 | -0.000044 | 0.0046 | 1.1515 |
| 30 | 0.000065 | 0.0051 | 1.1047 |
| 60 | -0.000081 | 0.0045 | 1.1339 |
| 平均值 | -0.00002 | 0.0048 | 1.1300 |
本发明实施例采用多向旋转投影法提取盾构隧道中轴线，通过对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影获取盾构隧道结构的多向边界点，并利用随机采样RANSAC算法和最小二乘法将不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点分别进行拟合，获得不同坐标系下拟合出的上下边界线，利用盾构隧道结构的上下边界线计算出高精度隧道中轴线的方程。采用该方法能够得到高精度中轴线方程。
步骤3：基于盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据。所述步骤3包括：
步骤3.1：基于盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的空间姿态信息。
需要说明的是，盾构隧道目标环内衬砌点云数据是直线段，利用步骤2中计算得到的中轴线方程获取盾构隧道目标环的空间姿态信息和中心点的坐标。
图3(a)示出了本发明实施例所提供的盾构隧道中轴线的斜角示意图。如图3(a)所示，该目标环在XOY、YOZ投影面上中轴线的切向量如式(9)：
其中，k1为XOY投影面上中轴线和Y轴的切向量，k2为YOZ投影面上中轴线和Y轴的切向量，axcenter，bxcenter分别为XOY平面上拟合的中轴线二次方程的二次项系数、一次项系数，azcenter，bzcenter分别为YOZ平面上拟合的中轴线二次方程的二次项系数、一次项系数。
如图3(a)所示，该目标环在XOY、YOZ投影面上中轴线和Y轴的斜角如式(10)：
其中，α1为XOY投影面上中轴线和Y轴的斜角，α2为YOZ投影面上中轴线和Y轴的斜角，k1为XOY投影面上中轴线和Y轴的切向量，k2为YOZ投影面上中轴线和Y轴的切向量。
步骤3.2：基于盾构隧道目标环的空间姿态信息，对盾构隧道目标环点云数据进行转正，以获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据。
需要说明的是，图3(b)示出了本发明实施例所提供的盾构隧道目标环点云数据转正后的示意图。如图3(b)所示，根据步骤3.1得到隧道目标的空间姿态信息和中心点坐标后，首先将盾构隧道目标环点云数据以y轴为旋转轴线旋转变换，进行盾构隧道目标环点云数据转正，即对目标环点云数据整平，旋转矩阵T如式(11)：
其中，α1为XOY投影面上中轴线和Y轴的斜角，α2为YOZ投影面上中轴线和Y轴的斜角。
转正后的目标环点云数据坐标如式(12)
其中，[xi yi zi]T为转正前的目标环点云数据坐标，[x'iy'i z'i]T为转正后的目标环点云数据坐标，T为转换矩阵。
进一步地，图4(a)示出了本发明实施例所提供的目标环点云数据三维展开原理图。图4(b)示出了本发明实施例所提供的三维展开后得到的盾构隧道目标环的三维展开点云数据。如图4(a)和图4(b)所示，展开目标环点云数据以获取三维展开点云数据，隧道的轴长为X轴，轴向为Y轴，隧道目标环的衬砌点云数据到中轴线的距离为Z轴。具体地，Y轴方向是列车在隧道中前进方向，即隧道走向，X轴水平垂直于Y轴的轴线，Z轴是纵向垂直于Y轴的轴线。
三维展开原理如图4(a)所示，运用式(13)进行目标环点云数据的转换，三维展开后得到的盾构隧道目标环的三维展开点云数据如图4(b)所示。
其中，
R为盾构隧道设计半径，x，y，z为隧道目标环的衬砌点云数据绝对坐标；
为三维展开后得到的盾构隧道目标环的三维展开点云数据坐标。
步骤4：基于盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据。
需要说明的是，所述步骤4包括：
步骤4.1：判断盾构隧道目标环的三维展开点云数据是否低于反射强度阈值。
步骤4.2：若是，则低于反射强度阈值的区域为目标环内管片拼装位置的区域。
图5示出了本发明实施例所提供的目标环内管片拼装位置的边界点云数据示意图。如图5所示，首先选择合理的反射强度阈值，在盾构隧道目标环的三维展开点云数据中找到反射强度低于反射强度阈值的区域。具体地，判断盾构隧道目标环的三维展开点云数据是否低于反射强度阈值，若是，则低于反射强度阈值的区域为目标环内管片拼装位置的区域，即这些区域是两个管片之间的空隙的点云数据。
步骤4.3：基于目标环内管片拼装位置的区域，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据。
图5(a)示出了本发明实施例所提供的目标环内管片接缝错台和张开发生位置的示意图；图5(b)示出了本发明实施例所提供的目标环内管片接缝位置点云及边界点云示意图；如图5(a)和图5(b)所示，确定目标环内管片拼装位置后，自动提取两个管片拼装位置的衬砌边界点云数据。
步骤5：基于目标环内管片拼装位置的边界点云数据，获取目标环内管片错台量和张开量。
需要说明的是，所述步骤5包括：
步骤5.1：基于目标环内拼装位置的边界点云数据，获取目标环内两个相邻的管片边界点云数据。
图6(a)示出了本发明实施例所提供的提取错台量的目标环内两个相邻的管片边界点云数据示意图。图7(a)示出了本发明实施例所提供的提取张开量的目标环内两个相邻的管片边界点云数据示意图。
如图6(a)和7(a)所示，首先在目标环内拼装位置的边界点云数据中选择两个相邻的管片边界点云数据。
步骤5.2：将目标环内两个相邻的管片边界点云数据分别投影到YOZ平面和XOY平面，以获取YOZ平面上的第一投影边界点云数据和XOY平面上的第二投影边界点云数据。
具体地，将相邻的左右两个管片的边界点云数据投影到YOZ，XOY平面上，其中，YOZ平面为垂直平面，XOY平面为水平平面，Y轴沿盾构隧道的轴线方向。示例性的，将图6(a)示出的提取错台量的目标环内两个相邻的管片边界点云数据投影到YOZ平面上，以获取YOZ平面上的第一投影边界点云数据。将图7(a)示出的提取张开量的目标环内两个相邻的管片边界点云数据投影到XOY平面上，以获取XOY平面上的第二投影边界点云数据。
步骤5.3：对第一投影边界点云数据和第二投影边界点云数据分别进行拟合，以获取YOZ平面上的两条第一拟合直线和XOY平面上的两条第二拟合直线。
图6(b)示出了本发明实施例所提供的对YOZ平面第一投影边界点云数据在垂直方向拟合的示意图。图7(b)示出了本发明实施例所提供的对XOY平面第二投影边界点云数据在水平方向拟合的示意图。
如图6(b)所示，对YOZ平面上投影到的左右两个管片的边界点云数据，即第一投影边界点云数据，采用最小二乘法和RANSAC算法拟合出两条第一拟合直线。考虑到噪音的影响设置合理的阈值，计算出左右两相邻管片边界直线方程的参数，如式14：
其中，y左，Z左为左边管片的y，z坐标；y右，Z右为右边管片的y，z坐标；a，b为左右管片边界点云数据直线拟合方程的系数。
如图7(b)所示，对XOY平面上投影到的左右两个管片的边界点云数据，即第二投影边界点云数据，采用最小二乘法和RANSAC算法拟合出两条第二拟合直线。考虑到噪音的影响设置合理的阈值，计算出左右两相邻管片边界直线方程的参数，如式15：
其中，x左，y左为左边管片的x，y坐标；x右，y右为右边管片的x，y坐标；a，b为左右管片边界点云数据直线拟合方程的系数。
步骤5.4：计算两条第一拟合直线在YOZ平面上Z轴方向的距离，为目标环内管片错台量；计算两条第二拟合直线在XOY平面上X轴方向的距离，为目标环内管片张开量。
图6(c)示出了本发明实施例所提供的目标环内两相邻管片之间错台量变化示意图。图7(c)示出了本发明实施例所提供的目标环内两相邻管片之间张开量变化示意图。
如图6(c)所示，拟合出来的两条第一拟合直线表示拼装位置两个管片的实际情况，通过这两条第一拟合直线的方程计算出两条第一拟合直线距离的方程，这两条第一拟合直线距离的方程可以表示两个管片之间的错台量。计算出管片之间的最大距离和最小距离，也就是两个管片之间最大，最小和平均错台量。
如图7(c)所示，拟合出来的两条第二拟合直线表示拼装位置两个管片的实际情况，通过这两条第二拟合直线的方程计算出两条第二拟合直线距离的方程，这两条第二拟合直线距离的方程可以表示两个管片之间的张开量。考虑规范确定两个管片的张开量的变化。计算出管片之间的最大距离和最小距离，考虑规范算出两个管片之间最大、最小和平均张开量。
与现有技术相比，本发明提供的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法，具有如下有益效果：
1)算法的适用性。针对盾构隧道，采用多向旋转投影法提取高精度中轴线，利用该中轴线获取高精度三维展开点云数据，根据高精度的三维展开点云数据，获取高精度的目标环内管片拼装位置的边界点云数据，根据高精度的目标环内管片拼装位置的边界点云数据，分别计算得到高精度的目标环内管片错台量和张开量。并结合北京轨道交通新机场线某期工程，验证了该算法对于盾构隧道的适用性。
2)方法的优点。利用高精度，高密度，高效率的三维激光扫描仪获取盾构隧道衬砌点云数据，通过上述算法高速而准确地提取盾构隧道目标环管片错台量和张开量。与其他方法相比更准确地提取了目标环内管片的错台和张开量，更高效、准确、真实的反映了管片实际错台和张开情况
图8示出了本发明实施例所提供的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置的示意图。
如图8所示，一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置包括：
数据获取模块1，用于获取盾构隧道衬砌点云数据。
中轴线模块2，用于基于盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线。
需要说明的是，所述中轴线模块2包括：边界点子模块21，用于对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影，获得不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点；边界线子模块22，用于利用最小二乘法和RANSAC算法将不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点分别进行拟合，以获得不同坐标系下拟合出的上下边界线；中轴线子模块23，用于基于不同坐标系下拟合出的上下边界线，获得盾构隧道的中轴线。
展开点云获取模块3，用于基于盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据。
需要说明的是，所述展开点云获取模块3包括：空间姿态子模块31，用于基于盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的空间姿态信息。转正子模块32，用于基于盾构隧道目标环的空间姿态信息，对盾构隧道目标环点云数据进行转正，以获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据；
边界点云获取模块4，用于基于盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据。
需要说明的是，所述边界点云获取模块4包括：判断子模块41，用于判断盾构隧道目标环的三维展开点云数据是否低于反射强度阈值。拼装位置区域子模块42，用于将低于反射强度阈值的区域作为目标环内管片拼装位置的区域。拼装位置边界点云子模块43，用于基于目标环内管片拼装位置的区域，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据。
错台量和张开量模块5，用于基于目标环内管片拼装位置的边界点云数据，获取目标环内管片错台量和张开量。
需要说明的是，所述错台量和张开量模块5包括：相邻管片边界点云子模块51，用于基于目标环内拼装位置的边界点云数据，获取目标环内两个相邻的管片边界点云数据。投影子模块52，用于将目标环内两个相邻的管片边界点云数据分别投影到YOZ平面和XOY平面，以获取YOZ平面上的第一投影边界点云数据和XOY平面上的第二投影边界点云数据，其中，YOZ平面为垂直平面，XOY平面为水平平面，Y轴沿盾构隧道的轴线方向。拟合子模块53，用于对第一投影边界点云数据和第二投影边界点云数据分别进行拟合，以获取YOZ平面上的两条第一拟合直线和XOY平面上的两条第二拟合直线。距离计算子模块54，用于计算两条第一拟合直线在YOZ平面上的距离，为目标环内管片错台量；计算两条第二拟合直线在XOY平面上的距离，为目标环内管片张开量。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置的有益效果与上述技术方案所述一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法的有益效果相同，在此不做赘述。
此外，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该收发器、该存储器和处理器分别通过总线相连，计算机程序被处理器执行时实现上述一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所披露的装置、电子设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的、机械的或其他的形式连接。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取盾构隧道衬砌点云数据；
步骤2：基于所述盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线；
步骤3：基于所述盾构隧道的中轴线获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据；
步骤4：基于所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据；
步骤5：基于所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据，获取目标环内管片错台量和张开量。
2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法，其特征在于，
所述步骤2：基于所述盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线，包括：
步骤2.1：对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影，获得不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点；
步骤2.2：利用最小二乘法和RANSAC算法将不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点分别进行拟合，以获得不同坐标系下拟合出的上下边界线；
步骤2.3：基于不同坐标系下拟合出的上下边界线，获得所述盾构隧道的中轴线。
3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法，其特征在于，
所述步骤3：基于所述盾构隧道的中轴线获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据，包括：
步骤3.1：基于所述盾构隧道的中轴线获取盾构隧道目标环的空间姿态信息；
步骤3.2：基于所述盾构隧道目标环的空间姿态信息，对盾构隧道目标环点云数据进行转正，以获取所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据。
4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法，其特征在于，
所述步骤4：基于所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据，包括：
步骤4.1：判断所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据是否低于反射强度阈值；
步骤4.2：若是，则低于所述反射强度阈值的区域为目标环内管片拼装位置的区域；
步骤4.3：基于所述目标环内管片拼装位置的区域，获取所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据。
5.根据权利要求1所述的一种盾构隧道环内管片错台量和张开量的测量方法，其特征在于，
所述步骤5：基于所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据获取目标环内管片错台量和张开量，包括：
步骤5.1：基于所述目标环内拼装位置的边界点云数据，获取目标环内两个相邻的管片边界点云数据；
步骤5.2：将所述目标环内两个相邻的管片边界点云数据分别投影到YOZ平面和XOY平面，以获取YOZ平面上的第一投影边界点云数据和XOY平面上的第二投影边界点云数据，其中，YOZ平面为垂直平面，XOY平面为水平平面，Y轴沿盾构隧道的轴线方向；
步骤5.3：对所述第一投影边界点云数据和所述第二投影边界点云数据分别进行拟合，以获取YOZ平面上的两条第一拟合直线和XOY平面上的两条第二拟合直线；
步骤5.4：计算所述两条第一拟合直线在YOZ平面上的距离，即两条第一拟合直线在Z轴方向的距离为所述目标环内管片错台量；计算所述两条第二拟合直线在XOY平面上的距离，即两条第二拟合直线在X轴方向的距离为所述目标环内管片张开量。
6.一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取盾构隧道衬砌点云数据；
中轴线模块，用于基于所述盾构隧道衬砌点云数据，获取盾构隧道的中轴线；
展开点云获取模块，用于基于所述盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的三维展开点云数据；
边界点云获取模块，用于基于所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据，获取目标环内管片拼装位置的边界点云数据；
错台量和张开量模块，用于基于所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据，获取目标环内管片错台量和张开量。
7.根据权利要求6所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置，其特征在于，
所述中轴线模块包括：
边界点子模块，用于对盾构隧道衬砌点云数据进行多向旋转投影，获得不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点；
边界线子模块，用于利用最小二乘法和RANSAC算法将不同坐标系下盾构隧道结构的多向边界点分别进行拟合，以获得不同坐标系下拟合出的上下边界线；
中轴线子模块，用于基于不同坐标系下拟合出的上下边界线，获得所述盾构隧道的中轴线；
所述展开点云获取模块包括：
空间姿态子模块，用于基于所述盾构隧道的中轴线，获取盾构隧道目标环的空间姿态信息；
转正子模块，用于基于所述盾构隧道目标环的空间姿态信息，对盾构隧道目标环点云数据进行转正，以获取所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据；
所述边界点云获取模块包括：
判断子模块，用于判断所述盾构隧道目标环的三维展开点云数据是否低于反射强度阈值；
拼装位置区域子模块，用于将低于所述反射强度阈值的区域作为目标环内管片拼装位置的区域；
拼装位置边界点云子模块，用于基于所述目标环内管片拼装位置的区域，获取所述目标环内管片拼装位置的边界点云数据。
8.根据权利要求6所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量装置，其特征在于，
所述错台量和张开量模块包括：
相邻管片边界点云子模块，用于基于所述目标环内拼装位置的边界点云数据，获取目标环内两个相邻的管片边界点云数据；
投影子模块，用于将所述目标环内两个相邻的管片边界点云数据分别投影到YOZ平面和XOY平面，以获取YOZ平面上的第一投影边界点云数据和XOY平面上的第二投影边界点云数据，其中，YOZ平面为垂直平面，XOY平面为水平平面，Y轴沿盾构隧道的轴线方向；
拟合子模块，用于对所述第一投影边界点云数据和所述第二投影边界点云数据分别进行拟合，以获取YOZ平面上的两条第一拟合直线和XOY平面上的两条第二拟合直线；
距离计算子模块，用于计算所述两条第一拟合直线在YOZ平面上的距离，为目标环内管片错台量；计算所述两条第二拟合直线在XOY平面上的距离，为目标环内管片张开量。
9.一种电子设备，包括总线、收发器(显示单元/输出单元、输入单元)、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的一种盾构隧道管片错台量和张开量的测量方法中的步骤。
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- 2021-11-29 CN CN202111430484.XA patent/CN114109410B/zh active Active
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