CN114459378A - 一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法及测量系统 - Google Patents

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李冠鹏
屈讼昭
罗从双
翟聚云
薛娜
杨英
王睿珺
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Abstract

本发明公开了一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法及测量系统，涉及隧道测量技术领域，按照三维激光扫描系统的扫描范围均分区域，对隧道工程进行分段扫描，保障点云密度均匀，并采用粗配准和精配准对多个空间点云数据进行拼接，获取完整的空间点云数据，分区扫描的方式使得扫描结果的精准性提高，采用点云拼接方式进行粗配准和细配准，避免数据冗余，本发明设置多个扫描点进行三维激光扫描，解决了单站扫描时间长的问题。并对多点扫描的空间点云数据进行拼接，根据拼接后的空间点云数据进行坐标系的构建，获得精准的三维测量模型。

Description

一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及隧道测量技术领域，特别涉及一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法及测量系统。
背景技术
隧道是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道和城市隧道三大类。为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的称为山岭隧道；为穿越河流或海峡而从河下或海底通过的称为水下隧道；为适应铁路通过大城市的需要而在城市地下穿越的称为城市隧道。这三类隧道中修建最多的是山岭隧道。
隧道的建设过程主要为隧道规划、勘测、设计、贯通控制测量和施工等工作。而其中，隧道测量是为了保证测量的中线和高程在隧道贯通面处的偏差不超出规定的限值。现有技术中隧道测量是使用三维激光扫描仪进行隧道断面全景扫描，而全景扫描法存在扫描点云密度极度不均、冗余数据多、单站扫描时间较长的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法及测量系统，对隧道工程进行分段扫描，设置多个扫描点进行三维激光扫描，并对多点扫描的空间点云数据进行拼接，根据拼接后的空间点云数据进行坐标系的构建，获得精准的三维测量模型。
本发明提供了一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法，包括以下步骤：
根据三维激光扫描系统的扫描范围在隧道周边布设若干个扫描点，每个扫描点处均设置三维激光扫描系统；
若干个三维激光扫描系统采集目标隧道的空间点云数据；
对若干个三维激光扫描系统采集的空间点云数据进行点云拼接，获取完整的空间点云数据；
将所述完整的空间点云数据沿隧道延伸方向分割成多个区分段，针对每个区分段分级构建坐标系，按坐标系构造多边形；
根据多边形组建隧道工程三维测量模型。
进一步地，所述将所述完整的空间点云数据沿隧道延伸方向分割成多个区分段，针对每个区分段分级构建坐标系，按坐标系构造多边形的步骤，包括：
将所述区分段内的空间点云数据投影到同一平面内并构建平面直角坐标系，其中，所述空间点云数据均位于平面直角坐标系的第一象限内；
在所述空间点云数据中提取目标点，所述目标点为：与X轴间距最小的点、与X轴间距最大的点、与Y轴间距最小的点和与Y轴间距最大的点；
计算所述目标点的X轴坐标的中值及Y轴坐标的中值，以X轴坐标的中值及Y轴坐标的中值为原点，构建第二平面直角坐标系；
根据所述目标点在第二平面直角坐标系的分布情况构造多边形。
进一步地，所述根据多边形组建隧道工程三维测量模型的步骤，包括：
获取多边形的表面积数据和体积数据；
根据多边形的表面积数据和体积数据构建三维测量模型。
进一步地，所述根据三维激光扫描系统的扫描范围在隧道周边布设若干个扫描点，每个扫描点处均设置三维激光扫描系统的步骤，包括：
选取三维激光扫描系统，并确定三维激光扫描系统的扫描范围；
根据三维激光扫描系统的扫描范围对隧道工程进行划分，每个划分区域内均布设扫描点，保障每个三维激光扫描系统的扫描范围之间没有空隙。
进一步地，所述对若干个三维激光扫描系统采集的空间点云数据进行点云拼接，获取完整的空间点云数据的步骤，包括：
获取每个扫描点处获取的空间点云数据的快速点特征直方图；
利用特征相似性进行相邻每两组空间点云数据之间的点云粗配准；
利用精拼接算法对粗配准后的点云数据做精配准；
根据精配准结果对若干组电缆沟道点云数据进行点云拼接，获得完整的空间点云数据。
进一步地，所述利用特征相似性进行相邻每两组空间点云数据之间的点云粗配准的步骤，包括：
在三维激光扫描系统内设置电子罗盘；
获取至少一个三维激光扫描系统中的两份电子罗盘数据；
根据两份所述电子罗盘数据的差值确定所述粗拼接转换参数中的所述Z轴旋转参数；
根据三维激光扫描系统获取的空间点云数据及Z轴旋转参数，求解获得粗拼接转换参数，进行点云粗配准。
进一步地，应用一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法的测量系统，包括：
若干个三维激光扫描单元：分段获取目标隧道的空间点云数据；
点云数据拼接单元：对若干个三维激光扫描单元采集的空间点云数据进行点云拼接，获取完整的空间点云数据；
坐标系构建单元：将所述完整的空间点云数据沿隧道延伸方向分割成多个区分段，针对每个区分段分级构建坐标系，按坐标系构造多边形；
模型构建单元：根据多边形组建隧道工程三维测量模型。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明提出的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法及测量系统，按照三维激光扫描系统的扫描范围均分区域，对隧道工程进行分段扫描，保障点云密度均匀，并采用粗配准和精配准对多个空间点云数据进行拼接，获取完整的空间点云数据，分区扫描的方式使得扫描结果的精准性提高，采用点云拼接方式进行粗配准和细配准，避免数据冗余，本发明设置多个扫描点进行三维激光扫描，解决了单站扫描时间长的问题。并对多点扫描的空间点云数据进行拼接，根据拼接后的空间点云数据进行坐标系的构建，获得精准的三维测量模型。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法的方法流程图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
参照图1，本发明提供了一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法，包括以下步骤：
步骤1：根据三维激光扫描系统的扫描范围在隧道周边布设若干个扫描点，每个扫描点处均设置三维激光扫描系统的步骤，包括：
步骤101：选取三维激光扫描系统，并确定三维激光扫描系统的扫描范围；
步骤102：根据三维激光扫描系统的扫描范围对隧道工程进行划分，每个划分区域内均布设扫描点，保障每个三维激光扫描系统的扫描范围之间没有空隙。
步骤2：若干个三维激光扫描系统采集目标隧道的空间点云数据；
步骤3：对若干个三维激光扫描系统采集的空间点云数据进行点云拼接，获取完整的空间点云数据的步骤，包括：
步骤301：获取每个扫描点处获取的空间点云数据的快速点特征直方图；
步骤302：利用特征相似性进行相邻每两组空间点云数据之间的点云粗配准；
步骤303：利用精拼接算法对粗配准后的点云数据做精配准；
步骤304：根据精配准结果对若干组电缆沟道点云数据进行点云拼接，获得完整的空间点云数据。
其中，所述步骤302：利用特征相似性进行相邻每两组空间点云数据之间的点云粗配准的步骤，包括：
步骤3021：在三维激光扫描系统内设置电子罗盘；
步骤3022：获取至少一个三维激光扫描系统中的两份电子罗盘数据；
步骤3023：根据两份所述电子罗盘数据的差值确定所述粗拼接转换参数中的所述Z轴旋转参数；
步骤3024：根据三维激光扫描系统获取的空间点云数据及Z轴旋转参数，求解获得粗拼接转换参数，进行点云粗配准。
步骤4：将所述完整的空间点云数据沿隧道延伸方向分割成多个区分段，针对每个区分段分级构建坐标系，按坐标系构造多边形的步骤，包括：
步骤401：将所述区分段内的空间点云数据投影到同一平面内并构建平面直角坐标系，其中，所述空间点云数据均位于平面直角坐标系的第一象限内；
步骤402：在所述空间点云数据中提取目标点，所述目标点为：与X轴间距最小的点、与X轴间距最大的点、与Y轴间距最小的点和与Y轴间距最大的点；
步骤403：计算所述目标点的X轴坐标的中值及Y轴坐标的中值，以X轴坐标的中值及Y轴坐标的中值为原点，构建第二平面直角坐标系；
步骤404：根据所述目标点在第二平面直角坐标系的分布情况构造多边形。
步骤5：根据多边形组建隧道工程三维测量模型的步骤，包括：
步骤501：获取多边形的表面积数据和体积数据；
步骤502：根据多边形的表面积数据和体积数据构建三维测量模型。
本发明实施例提供的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法的测量系统，包括：
若干个三维激光扫描单元：分段获取目标隧道的空间点云数据；
点云数据拼接单元：对若干个三维激光扫描单元采集的空间点云数据进行点云拼接，获取完整的空间点云数据；
坐标系构建单元：将所述完整的空间点云数据沿隧道延伸方向分割成多个区分段，针对每个区分段分级构建坐标系，按坐标系构造多边形；
模型构建单元：根据多边形组建隧道工程三维测量模型。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据三维激光扫描系统的扫描范围在隧道周边布设若干个扫描点，每个扫描点处均设置三维激光扫描系统；
若干个三维激光扫描系统采集目标隧道的空间点云数据；
对若干个三维激光扫描系统采集的空间点云数据进行点云拼接，获取完整的空间点云数据；
将所述完整的空间点云数据沿隧道延伸方向分割成多个区分段，针对每个区分段分级构建坐标系，按坐标系构造多边形；
根据多边形组建隧道工程三维测量模型。
2.如权利要求1所述的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法，其特征在于，所述将所述完整的空间点云数据沿隧道延伸方向分割成多个区分段，针对每个区分段分级构建坐标系，按坐标系构造多边形的步骤，包括：
将所述区分段内的空间点云数据投影到同一平面内并构建平面直角坐标系，其中，所述空间点云数据均位于平面直角坐标系的第一象限内；
在所述空间点云数据中提取目标点，所述目标点为：与X轴间距最小的点、与X轴间距最大的点、与Y轴间距最小的点和与Y轴间距最大的点；
计算所述目标点的X轴坐标的中值及Y轴坐标的中值，以X轴坐标的中值及Y轴坐标的中值为原点，构建第二平面直角坐标系；
根据所述目标点在第二平面直角坐标系的分布情况构造多边形。
3.如权利要求2所述的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法，其特征在于，所述根据多边形组建隧道工程三维测量模型的步骤，包括：
获取多边形的表面积数据和体积数据；
根据多边形的表面积数据和体积数据构建三维测量模型。
4.如权利要求1所述的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法，其特征在于，所述根据三维激光扫描系统的扫描范围在隧道周边布设若干个扫描点，每个扫描点处均设置三维激光扫描系统的步骤，包括：
选取三维激光扫描系统，并确定三维激光扫描系统的扫描范围；
根据三维激光扫描系统的扫描范围对隧道工程进行划分，每个划分区域内均布设扫描点，保障每个三维激光扫描系统的扫描范围之间没有空隙。
5.如权利要求1所述的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法，其特征在于，所述对若干个三维激光扫描系统采集的空间点云数据进行点云拼接，获取完整的空间点云数据的步骤，包括：
获取每个扫描点处获取的空间点云数据的快速点特征直方图；
利用特征相似性进行相邻每两组空间点云数据之间的点云粗配准；
利用精拼接算法对粗配准后的点云数据做精配准；
根据精配准结果对若干组电缆沟道点云数据进行点云拼接，获得完整的空间点云数据。
6.如权利要求5所述的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法，其特征在于，所述利用特征相似性进行相邻每两组空间点云数据之间的点云粗配准的步骤，包括：
在三维激光扫描系统内设置电子罗盘；
获取至少一个三维激光扫描系统中的两份电子罗盘数据；
根据两份所述电子罗盘数据的差值确定所述粗拼接转换参数中的所述Z轴旋转参数；
根据三维激光扫描系统获取的空间点云数据及Z轴旋转参数，求解获得粗拼接转换参数，进行点云粗配准。
7.应用如权利要求1所述的一种隧道工程三维激光扫描分段测量方法的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：
若干个三维激光扫描单元：分段获取目标隧道的空间点云数据；
点云数据拼接单元：对若干个三维激光扫描单元采集的空间点云数据进行点云拼接，获取完整的空间点云数据；
坐标系构建单元：将所述完整的空间点云数据沿隧道延伸方向分割成多个区分段，针对每个区分段分级构建坐标系，按坐标系构造多边形；
模型构建单元：根据多边形组建隧道工程三维测量模型。
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