CN116740174B - 隧道病害在三维实景模型中的定位方法、装置和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道病害在三维实景模型中的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：通过隧道平面设计图获取隧道中心线矢量数据；根据所述隧道中心线矢量数据，计算组成隧道的每个衬砌环的中心点坐标；在病害集合点和其所在衬砌环的中心点间构建几何图形，通过病害角度值θ、衬砌环尺寸和中心点坐标，计算病害高度值H和病害集合点坐标，由病害高度值H和病害集合点坐标组成病害集合点三维坐标；根据病害集合点三维坐标，将病害集合点在隧道三维实景模型中定位显示。还公开了执行上述定位方法的装置和存储介质。使用该定位方法，能将不同衬砌环上的病害数据实时在隧道三维模型中可视化定位显示，实现隧道运营的高效化、智能化，降低运营成本。
Description
技术领域
本发明涉及三维坐标计算领域，尤其涉及一种隧道病害在三维实景模型中的定位方法、装置和存储介质。
背景技术
在地铁隧道的运营阶段，通常会出现各种病害问题，比如渗漏、裂缝、形变、错台等。这些病害让地铁系统面临着严重的安全隐患。为了减少地铁隧道病害对地铁系统的影响，需要进行定期的检查、维护和修复工作。
近年来，BIM技术在中国轨道交通行业开始得到应用，同时，对地铁隧道病害的运营和运维工作也相应产生了积极影响，通过构建隧道三维模型，能够对病害进行可视化管理及自动化诊断和预测，大大提高了运营效率。
将隧道病害数据在隧道三维模型中可视化展示，现有的技术通常有两种，第一种是人工标定法，需要借助标定工具进行标定。一般步骤为：打开加载已构建好的隧道三维模型；选择合适的标定工具，并使用标定工具中的旋转工具或者角度工具对带有角度值的隧道病害数据进行旋转或角度标定；完成标定后，需要对数据进行验证和审查，确保标定数据与三维模型正确关联；最后，需要将标定后的相关信息记录下来，包括病害的位置、角度等信息。此方法存在效率低、成本高、准确率低的问题。第二种是通过三维激光扫描技术得到隧道点云数据，提取病害数据并获取其点云坐标，再将点云坐标转换到BIM模型中的坐标系，并在BIM模型中展示。如在中国发明申请CN116164704A中公开了一种隧道病害实时检测预警系统。其公开了通过数据采集模块采集隧道内的激光点云数据和隧道内砌高清图像数据；通过数据分析处理模块根据点云数据和图像数据检测隧道内是否存在关键病害；通过空间位置解算模块解算隧道内各端面关键病害的空间位置和数据采集模块在隧道内的采集轨迹；通过可视化交互及预警模块经关键病害检测结果进行实时统计，根据空间位置将统计信息打印至隧道三维模型对应的衬砌表面，进行隧道内部环境三维展示，并对关键病害检测结果进行远程实时预警。此种方法依赖三维激光扫描，成本高。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种隧道病害在三维实景模型中的定位方法、装置和存储介质，通过使用该定位方法，能够将不同衬砌环上的病害数据实时在隧道三维模型中可视化定位显示，实现隧道病害运营的高效化、智能化，降低运营成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
第一方面，一种隧道病害在三维实景模型中的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：
通过隧道平面设计图获取隧道中心线矢量数据；
根据所述隧道中心线矢量数据，计算组成隧道的每个衬砌环的中心点坐标；
在病害集合点和其所在衬砌环的中心点间构建几何图形，通过病害角度值θ、已知的衬砌环尺寸和中心点坐标，利用几何关系计算病害高度值H和病害集合点坐标，由病害高度值H和病害集合点坐标/>组成病害集合点三维坐标/>；其中，所述病害集合点位于其所在衬砌环经中心点的中心横截面上，所述病害集合点代表其所在衬砌环上垂直中心横截面且经该病害集合点的直线上的所有病害点；所述病害角度值θ为基准线按预设方向旋转至和病害线相重合时的旋转角度，所述病害角度值θ的范围为0°～360°。所述基准线为经中心点且垂直轨顶面的直线，所述病害线为病害集合点与中心点连线；所述病害高度值H为病害集合点与轨顶面间的距离；
根据病害集合点三维坐标，将病害集合点在隧道三维实景模型中定位显示。
本申请中定位方法适用于圆形盾构隧道。本申请通过简单计算，可将不同来源的隧道病害数据实时在隧道三维实景模型中定位显示，工作人员可由此快速获取病害区域，实现隧道病害运营的高效化、智能化。与人工标定相比，提高了效率和准确率。与通过三维激光扫描技术得到隧道点云数据相比，降低了成本。
所述病害集合点位于其所在衬砌环经中心点的中心横截面上。所述病害集合点代表其所在衬砌环上垂直中心横截面且经该病害集合点的直线上的所有病害点。在三维实景模型中定位病害集合点，由此，工作人员可快速获知病害点在衬砌环上的大致位置，可快速确定需要进一步检测区域。
在实际使用中，如需对病害点进行精确定位，可通过病害点实际所在的横截面，根据中心线矢量数据求出横截面中心点坐标，进一步根据几何关系确定病害点的实际三维坐标。在本申请的基础上，本领域技术人员作出相应调整，求得实际三维坐标是容易想到的。
进一步地，病害高度值H的计算步骤包括：
经中心点且垂直轨顶面设置基准线，将病害集合点与中心点相连形成病害线，经病害集合点且垂直基准线绘制直线，构建形成直角三角形；
经人工检测或激光扫描获取病害角度值θ，利用三角函数计算病害高度值H；
当0°≤θ＜90°或270°＜θ≤360°时，；
当90°≤θ≤270°时,；
其中，r为衬砌环半径，W为轨顶面宽度，θ为基准线按预设旋转方向旋转至和病害线相重合时的旋转角度。所述预设旋转方向可以是顺时针旋转方向或逆时针旋转方向。对于每一衬砌环其衬砌环半径r和轨顶面宽度W在隧道设计阶段均已确定，为已知常数。
除可计算病害高度值外，还可根据三角函数计算病害水平值L，所述病害水平值为病害集合点与基准线之间的距离，病害水平值。
进一步地，病害集合点坐标的计算步骤包括：
根据病害点两侧相邻衬砌环的中心点坐标、/>计算病害点所在的衬砌环的衬砌环线段斜率/>，/>；
根据衬砌环线段斜率，计算病害点与中心点连线的病害线斜率/>，；
由衬砌环线段斜率与病害线斜率/>，计算得到，其中，/>；
将病害点与中心点正投影至水平面，以病害点与中心点间的水平距离L为半径构建圆形，根据圆的标准方程得，其中/>；
利用病害线斜率对/>进行变换，得，其中，/>，/>，/>；由此得到第一预选集合点/>和第二预选集合点/>；
根据预选集合点与中心点间的方位角和病害角度值θ，在第一预选集合点和第二预选集合点/>中确定其中之一为病害集合点坐标/>。
进一步地，根据预选集合点与中心点间的方位角和病害角度值θ，在第一预选集合点和第二预选集合点/>中确定其中之一为病害集合点坐标/>，包括：
计算第一预选集合点和中心点间的第一方位角；
计算第二预选集合点和中心点间的第二方位角；
比较第一方位角和第二方位角/>的大小，若第一方位角/>≤第二方位角/>，且0°≤θ≤180°，则第一预选集合点/>为病害集合点坐标/>，否则第二预选集合点为病害集合点坐标/>；若第一方位角/>≥第二方位角/>，且180°＜θ≤360°，则第一预选集合点/>为病害集合点坐标/>，否则第二预选集合点/>为病害集合点坐标/>。
进一步地，所述通过隧道平面设计图获取隧道中心线矢量数据，包括：
将隧道平面设计图经AutoCAD提取出隧道中心线数据；
将CAD格式的隧道中心线数据转换为隧道中心线矢量数据。
进一步地，根据所述隧道中心线矢量数据，计算组成隧道的每个衬砌环的中心点坐标，包括：
根据组成隧道的衬砌环个数n，对隧道中心线矢量数据分割成n个与衬砌环对应的衬砌环线段；
根据衬砌环线段的中心点和隧道中心线矢量数据确定对应衬砌环的中心点坐标。
进一步地，所述病害集合点坐标为经纬度坐标。
进一步地，根据病害集合点三维坐标，将病害集合点在隧道三维实景模型中定位显示，包括：
利用BIM技术，将通过三维激光扫描获得的隧道结构图构建隧道三维实景模型；
将病害集合点三维坐标在隧道三维实景模型中定位显示。
第二方面，一种隧道病害在三维实景模型中的定位装置，所述定位装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现上述隧道病害在三维实景模型中的定位方法。
第三方面，一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现上述隧道病害在三维实景模型中的定位方法。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本申请中通过每个衬砌环的中心点坐标和病害角度值，经简单计算可快速确定对应衬砌环的病害集合点三维坐标，根据病害集合点三维坐标可快速、准确的在三维实景模型中进行标定，避免了标定过程中对隧道病害数据进行旋转、验证等工序，实现病害集合点的可视化监控，实现隧道病害运营的高效化、智能化，降低运营成本。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
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是本发明实施例一中定位方法流程图；
图2是本发明实施例一中衬砌环的中心横截面示意图；
图3是本发明实施例一中隧道中心线在俯视状态下的示意图；
图4是本发明实施例一中在病害点与中心点间构建圆形示意图；
图5是本发明实施例二中衬砌环的中心横截面示意图。
以上附图的附图标记：A：病害集合点；B：中心点；L：病害水平值；H：病害高度值；W：轨顶面宽度；r：衬砌环半径；θ：病害角度值；α1：第一方位角；α2：第二方位角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：一种隧道病害在三维实景模型中的定位方法，该定位方法适用于圆形盾构隧道。参见图2所示，以在经中心点B的中心横截面上具有病害集合点A，病害角度值θ＜90°为例。参见图1所示，所述定位方法包括以下步骤：
步骤101：通过隧道平面设计图获取隧道中心线矢量数据；
本步骤包括：
将隧道平面设计图经AutoCAD提取出隧道中心线数据，所述隧道平面设计图为隧道设计阶段的CAD图纸；
将CAD格式的隧道中心线数据转换为隧道中心线矢量数据。所述隧道中心线矢量数据包括隧道中心线上每一点的经纬度坐标。
步骤102：根据所述隧道中心线矢量数据，计算组成隧道的每个衬砌环的中心点坐标；
本步骤包括：
根据组成隧道的衬砌环个数n，对隧道中心线矢量数据分割成n个与衬砌环对应的衬砌环线段，n为正整数。
根据衬砌环线段的中心点和隧道中心线矢量数据确定对应衬砌环的中心点坐标，即得到组成隧道的每个衬砌环的中心点坐标，从而可将不同来源的病害快速定位至确定的衬砌环上。
步骤103：在病害集合点和其所在衬砌环的中心点间构建几何图形，通过病害角度值θ、已知的衬砌环尺寸和中心点坐标，利用几何关系计算病害高度值H和病害集合点坐标/>，由病害高度值H和病害集合点坐标/>组成病害集合点三维坐标。
在所述病害点位于其所在衬砌环经中心点的中心横截面上，即病害集合点与实际病害点位置相同，则计算得到的病害集合点坐标即实际病害点坐标。对于实际病害点不在中心横截面上的，可通过正投影至中心横截面上，得到在中心横截面上与实际病害点相对应的病害集合点，工作人员可有病害集合点坐标确定实际病害点的区域。
病害集合点三维坐标可分为计算病害高度值H、计算病害集合点坐标两个步骤。
计算病害高度值H包括以下步骤：
参见图2所示，经中心点且垂直轨顶面设置基准线，将病害集合点与中心点相连形成病害线，经病害集合点且垂直基准线绘制直线，构建形成第一直角三角形。将中心点与轨顶面的端点相连，在基准线和轨顶面间构建形成第二直角三角形。
经人工检测或激光扫描获取病害角度值θ。所述基准线为经中心点的指北向线。所述病害角度值θ为由基准线以顺时针方向转动到与病害线相重合的旋转角。
在第一直角三角形中，利用三角函数计算病害点水平值。所述病害水平值L即病害集合点与基准线间的距离。所述病害水平值L也等于病害点与中心点正投影至水平面上时，病害点与水平点之间的距离。
所述病害高度值H即病害集合点与轨顶面之间的距离。参见图2所示，所述病害高度值H为第一直角三角形和第二直角三角形中两个直角边之和，即。在第一直角三角形中，/>。在第二直角三角形中，/>，/>。由此得到/>。
其中，r为衬砌环半径，W为轨顶面宽度。对于每一衬砌环其衬砌环半径r和轨顶面宽度W在隧道设计阶段均已确定，为已知常数。
计算病害集合点坐标包括以下步骤：
参见图3所示，为隧道中心线俯视状态下的示意图。由圆内每一径线均与轴线相垂直，可知，病害集合点与其所在衬砌环的中心点相连的病害线与中心点处的切线相垂直。通过计算衬砌环的中心点的衬砌环线段斜率，可获得病害线斜率/>，n为衬砌环编号。通过第n个衬砌环两侧相邻衬砌环的中心点坐标/>、/>，计算第n个衬砌环的衬砌环线段斜率/>，即病害集合点所在衬砌环的中心点的衬砌环线段斜率。其中，/>为衬砌环编号为n-1的衬砌环的中心点坐标。/>为衬砌环编号为n+1的衬砌环的中心点坐标。病害线与第n个衬砌环的中心点的切线相垂直，/>。且，病害集合点和中心点位于病害线上，/>。因此，/>。
将进行变换，得到/>。则/>，。
参见图4所示，将病害点与中心点正投影至水平面，以病害点与中心点间的水平距离L为半径构建圆形，根据圆的标准方程得。
利用病害线斜率对/>进行变换，得，进一步得到。令/>，，/>，计算得到/>。
因此，得到两个可能坐标，将这两个可能坐标作为第一预选集合点和第二预选集合点/>。/>，/>。/>，。
进一步，根据预选集合点与中心点间的方位角和病害角度值θ，在第一预选集合点和第二预选集合点/>中确定其中之一为病害集合点坐标/>。该步骤具体包括：
计算第一预选集合点和中心点间的第一方位角；
计算第二预选集合点和中心点间的第二方位角；
比较第一方位角和第二方位角/>的大小，若第一方位角/>≤第二方位角/>，则第一预选集合点/>为病害集合点坐标/>，否则第二预选集合点/>为病害集合点坐标/>。
步骤104：根据病害点三维坐标，将病害点在隧道三维实景模型中定位显示；
本步骤包括：
利用BIM技术，将通过三维激光扫描获得的隧道结构图构建隧道三维实景模型；
将病害集合点三维坐标在隧道三维实景模型中定位显示。
实施例二：一种隧道病害在三维实景模型中的定位方法，该定位方法适用于圆形盾构隧道。实施例二与实施例一基本相似，不同点在于：病害角度值90°＜θ＜180°。
参见图5所示，所述病害高度值H为第一直角三角形和第二直角三角形中两个直角边之差，即。在第一直角三角形中，/>。在第二直角三角形中，，/>。由此得到/>。在第一直角三角形中，病害水平值/>。
实施例二中其他计算步骤与实施例一相同。
通过每个衬砌环的中心点坐标和病害角度值，经简单计算可快速确定对应衬砌环的病害集合点三维坐标，根据病害集合点三维坐标可快速、准确的在三维实景模型中进行标定，避免了标定过程中对隧道病害数据进行旋转、验证等工序，实现病害集合点的可视化监控，实现隧道病害运营的高效化、智能化，降低运营成本。
本申请提供了一种隧道病害在三维实景模型中的定位装置，所述定位装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现上述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法。
本申请提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现上述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种隧道病害在三维实景模型中的定位方法，所述定位方法适用于圆形盾构隧道，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：
通过隧道平面设计图获取隧道中心线矢量数据；
根据所述隧道中心线矢量数据，计算组成隧道的每个衬砌环的中心点坐标(xn，yn)；
在病害集合点和其所在衬砌环的中心点间构建几何图形，通过病害角度值θ、中心点坐标(xn，yn)和已知的衬砌环尺寸，利用几何关系计算病害高度值H和病害集合点坐标(x，y)，由病害高度值H和病害集合点坐标(x，y)组成病害集合点三维坐标(x，y，H)；包括，经中心点且垂直轨顶面设置基准线，将病害集合点与中心点相连形成病害线，经病害集合点且垂直基准线绘制直线，构建直角三角形；经人工检测或激光扫描获取病害角度值θ，利用三角函数计算病害高度值H；当0°≤θ＜90°或270°＜θ≤360°时，当90°≤θ≤270°时,/>其中，r为衬砌环半径，W为轨顶面宽度，θ为基准线按预设旋转方向旋转至和病害线相重合时的旋转角度；其中，所述病害集合点位于其所在衬砌环经中心点的中心横截面上，所述病害集合点代表其所在衬砌环上垂直中心横截面且经该病害集合点的直线上的所有病害点；所述病害角度值θ为基准线按预设方向旋转至和病害线相重合时的旋转角度，所述基准线为经中心点且垂直轨顶面的直线，所述病害线为病害集合点与中心点连线；所述病害高度值H为病害集合点与轨顶面间的距离；
根据病害集合点三维坐标(x，y，H)，将病害集合点在隧道三维实景模型中定位显示。
2.根据权利要求1所述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法，其特征在于，病害集合点坐标(x，y)的计算步骤包括：
根据病害点两侧相邻衬砌环的中心点坐标(xn-1，yn-1)、(xn+1，yn+1)计算病害点所在的衬砌环的衬砌环线段斜率k1n，
根据衬砌环线段斜率k1n，计算病害点与中心点连线的病害线斜率k2n，
由衬砌环线段斜率与病害线斜率/>计算得到y＝k2nx+e2，其中，e2＝yn-k2nxn；
将病害点与中心点正投影至水平面，以病害点与中心点间的水平距离L为半径构建圆形，根据圆的标准方程得(x-xn)2+(y-yn)2＝L2，其中L＝r*sinθ，(xn，yn)为衬砌环的中心点坐标，r为衬砌环半径；
利用病害线斜率对(x-xn)2+(y-yn)2＝L2进行变换，得其中，/>b＝2k2n(e2-yn)-2xn，/>由此得到第一预选集合点(xa，ya)和第二预选集合点(xb，yb)；
计算第一预选集合点和中心点间的第一方位角
计算第二预选集合点和中心点间的第二方位角
比较第一方位角α1和第二方位角α2的大小，若第一方位角α1≤第二方位角α2，且0°≤θ≤180°，则第一预选集合点(xa，ya)为病害集合点坐标(x，y)，否则第二预选集合点(xb，yb)为病害集合点坐标(x，y)；若第一方位角α1≥第二方位角α2，且180°＜θ≤360°，则第一预选集合点(xa，ya)为病害集合点坐标(x，y)，否则第二预选集合点(xb，yb)为病害集合点坐标(x，y)。
3.根据权利要求1所述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法，其特征在于，所述通过隧道平面设计图获取隧道中心线矢量数据，包括：
将隧道平面设计图经AutoCAD提取出隧道中心线数据；
将CAD格式的隧道中心线数据转换为隧道中心线矢量数据。
4.根据权利要求1所述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法，其特征在于，根据所述隧道中心线矢量数据，计算组成隧道的每个衬砌环的中心点坐标(xn，yn)，包括：
根据组成隧道的衬砌环个数n，对隧道中心线矢量数据分割成n个与衬砌环对应的衬砌环线段；
根据衬砌环线段的中心点和隧道中心线矢量数据确定对应衬砌环的中心点坐标(xn，yn)。
5.根据权利要求1所述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法，其特征在于，所述病害集合点坐标为经纬度坐标。
6.根据权利要求1所述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法，其特征在于，根据病害集合点三维坐标(x，y，H)，将病害集合点在隧道三维实景模型中定位显示，包括：
利用BIM技术，将通过三维激光扫描获得的隧道结构图构建隧道三维实景模型；
将病害集合点三维坐标在隧道三维实景模型中定位显示。
7.一种隧道病害在三维实景模型中的定位装置，其特征在于，所述定位装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如权利要求1～6任一项所述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现如权利要求1～6任一项所述的隧道病害在三维实景模型中的定位方法。
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| CN202310991536.3A Active CN116740174B (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 隧道病害在三维实景模型中的定位方法、装置和存储介质 |
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN111325839A (zh) * | 2020-02-13 | 2020-06-23 | 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所 | 一种用于隧道的形象化三维展示方法及系统 |
| CN111325829A (zh) * | 2020-02-13 | 2020-06-23 | 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所 | 一种用于隧道的实时三维建模方法及系统 |
| CN113063795A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-02 | 辽宁省交通规划设计院有限责任公司 | 一种高速公路隧道病害位置确定方法及系统 |
| WO2022166047A1 (zh) * | 2021-02-02 | 2022-08-11 | 中铁隧道局集团有限公司 | 一种用于高速列车上的隧道病害监测系统和方法 |
| CN115019010A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-09-06 | 江苏燕宁工程科技集团有限公司 | 一种基于三维激光扫描+bim技术的隧道结构病害展示方法 |
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-
2023
- 2023-08-08 CN CN202310991536.3A patent/CN116740174B/zh active Active
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| Title |
|---|
| 隧道环缝自动识别标注技术研究及应用;高修强 等;《电子技术与软件工程》;第34-39页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116740174A (zh) | 2023-09-12 |
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