CN117367302A - 基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法，属于隧道变形监测技术领域。本发明包括：S10：在无人机上搭设三维激光扫描仪，根据三维激光扫描仪在各运动位置采集的激光点云数据，对隧道的变形位置进行确定；S20：基于S10中确定的隧道变形位置，对各变形位置的变形程度进行预测；S30：对隧道的安全指数进行预测；S40：根据预测的隧道安全指数，对隧道进行安全预警。本发明根据隧道拱脚的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性、隧道拱顶的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性，判断隧道拱顶和隧道拱脚的变形是否与隧道拱腰的变形有关，提高了对隧道变形情况的监测精度。

Description

基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道变形监测技术领域，具体为基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法。

背景技术

变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形形态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。

现有，在对隧道进行变形监测时通常利用三维扫描仪对隧道内部进行扫描，根据扫描结果对隧道变形位置进行确定，但无法对隧道的变形程度进行预测，以及无法直接对隧道的安全情况进行有效评估，只能通过人工根据扫描结果对隧道的安全情况进行评估，从而导致评估结果与实际情况存在一定的延迟，降低了隧道的安全性，以及无法对隧道变形位置之间的相关性进行分析，导致评估结果与实际情况部分，降低了对隧道的变形监测效果。

发明内容

本发明的目的在于提供基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，所述方法包括：

S10：在无人机上搭设三维激光扫描仪，根据三维激光扫描仪在各运动位置采集的激光点云数据，对隧道的变形位置进行确定，三维激光扫描仪可360°旋转；

S20：基于S10中确定的隧道变形位置，对各变形位置的变形程度进行预测；

S30：对隧道的安全指数进行预测；

S40：根据预测的隧道安全指数，对隧道进行安全预警。

进一步的，所述S10以隧道中心线上的任一点作为坐标原点构建绝对坐标系，构建的绝对坐标系与隧道横断面所在平面平行，利用搭设在无人机上的三维激光扫描仪对隧道内部进行扫描，得到隧道内部的激光点云数据，对得到的激光点云数据进行裁剪、去噪和重采样处理，对激光点云数据的裁剪、去噪和重采样处理均为现有技术，根据无人机在各运动位置的坐标信息，通过坐标转换对无人机在各运动位置采集的处理后的激光点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道三维模型；

将得到的隧道三维模型与隧道标准三维模型进行匹配，若匹配不成功，则表示隧道在匹配位置发生变形，对变形位置进行标记处理，若匹配成功，则表示隧道在匹配位置未发生变形。

进一步的，所述S20包括：

S201：若标记位置位于隧道拱顶，则在隧道三维模型中对标记位置中的最低点位置进行确定，利用坐标距离公式对最低点位置相较于坐标原点的垂直距离进行计算，基于计算结果对标记位置受到的压力值进行计算，具体的计算公式为：

Q_i＝[24*E*(h′-h_i)]/L³ _i；

其中，i＝1,2,…,n，表示位于隧道拱顶的标记位置对应的编号，n表示位于隧道拱顶的标记位置总数,E表示隧道拱顶的抗弯刚度值，h_i表示编号为i的标记位置中的最低点位置相较于坐标原点的垂直距离值，h′表示隧道拱顶相较于坐标原点的标准垂直距离值，h′-h_i表示编号为i的标记位置对应的隧道拱顶下沉量，L_i表示编号为i的标记位置的变形长度，Q_i表示编号为i的标记位置受到的压力值；

根据W_i＝(Q_i-Q′)/Q′对标记位置的变形程度进行预测，其中，Q′表示隧道拱顶能够承受的最大压力值，W_i编号为i的标记位置的变形程度；

S202：若标记位置位于隧道拱腰，则根据隧道三维模型对标记位置的变形宽度进行确定，根据确定的变形宽度对标记位置的变形程度进行预测，具体的预测公式为：

E_j＝{[(R_j*K)/F]-S}/S；

其中，j＝1,2,…,m，表示位于隧道拱腰的标记位置对应的编号，m表示位于隧道拱腰的标记位置总数，R_j表示编号为j的标记位置对应的最大裂缝宽度，F表示隧道中土工合成材料的宽度，K表示隧道土体的相对抗拔系数，S表示隧道拱腰能够承受的最大压力值，(R_j*K)/F表示编号为j的标记位置受到的压力值，E_j表示编号为j的标记位置的变形程度；

S203：若标记位置位于隧道拱脚，则在隧道三维模型中对标记位置中的最高点位置进行确定，利用坐标距离公式对最高点位置相较于坐标原点的垂直距离f1进行计算，对最高点位置在隧道标准三维模型中的相对位置进行确定，利用坐标距离公式对相对位置相较于坐标原点的垂直距离f2进行计算，根据D_p＝[(f1-f2)-g]/g，其中，p＝1,2,…,q，表示位于隧道拱脚的标记位置对应的编号，q表示位于隧道拱脚的标记位置总数，g表示隧道拱脚允许的沉降量，D_p表示编号为p的标记位置的变形程度。

进一步的，所述S30根据标记位置在隧道三维模型中的位置信息，对标记位置进行匹配，具体的匹配方法为：

在隧道三维模型中任选一点作为坐标原点构建三维空间坐标系，随机选取一个位于隧道顶部的标记位置，利用坐标距离计算公式对选取的标记位置和位于隧道拱腰的标记位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱腰的标记位置进行确定，利用坐标距离计算公式对确定的位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱脚的标记位置进行确定，基于确定结果，对位于隧道拱顶的标记位置、位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置进行匹配，直至位于隧道顶部的标记位置均被选取，匹配成功的标记位置不参与后续的匹配操作；

对匹配的位于隧道拱顶的标记位置、位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置的端点位置坐标进行获取，利用距离计算公式对两两端点之间的垂直距离值进行计算，以计算的垂直距离最大值对应的端点坐标进行确定，以两端点坐标所在隧道横截面之间的隧道区域作为一个划分区域，结合S20中预测的各标记位置的变形程度，对各划分区域的安全指数进行预测，具体的预测公式为：

其中，编号为i、p、j的标记位置位于同一划分区域内，U_ij表示编号为i的标记位置与编号为j的标记位置之间的距离值，u_ij表示编号为i的标记位置与编号为j的标记位置之间的垂直距离值，V_pj表示编号为p的标记位置与编号为j的标记位置之间的距离值，v_pj编号为p的标记位置与编号为j的标记位置之间的垂直距离值，γ表示划分区域的安全指数，当1-[(U_ij-u_ij)/u_ij]≤0时，当1-[(U_ij-u_ij)/u_ij]＞0时，当1-[(V_pj-v_pj)/v_pj]≤0时，/>当1-[(V_pj-v_pj)/v_pj]＞0时，/>

利用对位于隧道拱顶的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性进行预测，利用/>对位于隧道拱脚的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性进行预测，由于隧道拱腰偏压会导致隧道拱顶和隧道拱脚下沉，因此根据计算的相关性可精确的对划分区域的安全指数进行计算。

进一步的，所述S40将S30中预测的安全指数与设定阈值进行比较，若γ≥设定阈值，则在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作，此时，若γ＜设定阈值，则无需在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作。

基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，所述系统包括隧道变形位置确定模块、变形程度预测模块、隧道安全指数计算模块和安全预警模块；

所述隧道变形位置确定模块用于根据构建的隧道三维模型对隧道变形位置进行确定；

所述变形程度预测模块用于对隧道各变形位置的变形程度进行预测；

所述隧道安全指数计算模块用于对各划分区域的隧道安全指数进行计算；

所述安全预警模块用于对隧道进行安全预警。

进一步的，所述隧道变形位置确定模块包括隧道点云数据采集单元、隧道三维模型构建单元和隧道变形位置确定单元；

所述点云数据采集单元利用搭设在无人机上的三维激光扫描仪对隧道内部进行扫描，得到隧道内部的激光点云数据，对得到的激光点云数据进行裁剪、去噪和重采样处理，并将处理后的激光点云数据传输至隧道三维模型构建单元；

所述隧道三维模型构建单元对点云数据采集单元传输的处理后的激光点云数据进行接收，隧道三维模型构建单元以隧道中心线上的任一点作为坐标原点构建绝对坐标系，根据无人机在各运动位置的坐标信息，通过坐标转换对无人机在各运动位置采集的处理后的激光点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道三维模型，并将得到的隧道三维模型传输至隧道变形位置确定单元；

所述隧道变形位置确定单元对隧道三维模型构建单元传输的隧道三维模型进行接收，将接收的隧道三维模型与隧道标准三维模型进行匹配，根据匹配结果，对隧道变形位置进行确定，并将确定的隧道变形位置传输至变形程度预测模块。

进一步的，所述变形程度预测模块包括变形位置划分单元、第一预测单元、第二预测单元和第三预测单元；

所述变形位置划分单元对隧道变形位置确定单元传输的隧道变形位置进行接收，若接收的隧道变形位置位于隧道拱顶，则将接收的隧道变形位置传输至第一预测单元，若接收的隧道变形位置位于隧道拱腰，则将接收的隧道变形位置传输至第二预测单元，若接收的隧道变形位置位于隧道拱脚，则将接收的隧道变形位置传输至第三预测单元；

所述第一预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，在隧道三维模型中对标记位置中的最低点位置进行确定，基于确定结果，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块；

所述第二预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，根据隧道三维模型对标记位置的变形宽度进行确定，基于确定结果，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块；

所述第三预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，在隧道三维模型中对标记位置中的最高点位置进行确定，结合最高点位置在隧道标准三维模型中的相对位置，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块。

进一步的，所述隧道安全指数计算模块包括变形位置匹配单元、隧道区域划分单元和隧道安全指数计算单元；

所述变形位置匹配单元在隧道三维模型中任选一点作为坐标原点构建三维空间坐标系，随机选取一个位于隧道顶部的变形位置，对选取的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱腰的变形位置进行确定，对确定的位于隧道拱腰的变形位置与位于隧道拱脚的变形位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱脚的变形位置进行确定，基于确定结果，对位于隧道拱顶的变形位置、位于隧道拱腰的变形位置和位于隧道拱脚的变形位置进行匹配，并将匹配结果传输至隧道区域划分单元；

所述隧道区域划分单元对变形位置匹配单元传输的匹配结果进行接收，根据匹配结果对隧道进行区域划分，并将隧道区域划分结果传输至隧道安全指数计算单元；

所述隧道安全指数计算单元对隧道区域划分单元传输的隧道区域划分结果，以及第一预测单元、第二预测单元和第三预测单元传输预测结果进行接收，基于接收信息，对隧道各划分区域的安全指数进行预测，并将预测结果传输至安全预警模块。

进一步的，所述安全预警模块对隧道安全指数计算单元传输的预测结果进行接收，将接收的预测结果与设定阈值进行比较，根据比较结果选择是否对隧道对应划分区域进行安全预警。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1.本发明根据隧道变形位置所在位置对变形位置进行划分，根据划分结果通过不同的预测模型对变形位置的变形程度进行预测，对于隧道拱腰和隧道拱脚而言，无法通过扫描数据快速精确的对变形位置受到的压力情况进行分析，而通过变形量能够快速的对变形位置的变形情况进行分析，提高了系统对隧道变形情况的监测速率。

2.本发明通过对隧道拱顶变形位置、隧道拱腰变形位置和隧道拱脚变形位置进行匹配，基于匹配结果对对应划分区域内的隧道的安全指数进行预测，此过程中考虑到隧道拱腰变形会导致隧道拱顶和隧道拱脚的变形情况，根据隧道拱脚的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性、隧道拱顶的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性，判断隧道拱顶和隧道拱脚的变形是否与隧道拱腰的变形有关，提高了对隧道变形情况的监测精度。

3.本发明根据隧道拱顶变形位置、隧道拱腰变形位置和隧道拱脚变形位置的匹配结果对隧道进行区域划分，仅对划分区域的隧道的变形情况进行分析，提高了系统对隧道的安全预警效率，即能够做到实时预警。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法的工作流程示意图；

图2是本发明基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法的工作原理结构示意图；

图3是本发明基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法的隧道横截面结构示意图；

图4是本发明基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统及方法的隧道剖视结构示意图。

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。

请参阅图1、图2、图3和图4，本发明提供技术方案：基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，方法包括：

S10：在无人机上搭设三维激光扫描仪，根据三维激光扫描仪在各运动位置采集的激光点云数据，对隧道的变形位置进行确定，三维激光扫描仪可360°旋转；

S10以隧道中心线上的任一点作为坐标原点构建绝对坐标系，构建的绝对坐标系与隧道横断面所在平面平行，利用搭设在无人机上的三维激光扫描仪对隧道内部进行扫描，得到隧道内部的激光点云数据，对得到的激光点云数据进行裁剪、去噪和重采样处理，对激光点云数据的裁剪、去噪和重采样处理均为现有技术，根据无人机在各运动位置的坐标信息，通过坐标转换对无人机在各运动位置采集的处理后的激光点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道三维模型；

将得到的隧道三维模型与隧道标准三维模型进行匹配，若匹配不成功，则表示隧道在匹配位置发生变形，对变形位置进行标记处理，若匹配成功，则表示隧道在匹配位置未发生变形。

S20：基于S10中确定的隧道变形位置，对各变形位置的变形程度进行预测；

S20包括：

S201：若标记位置位于隧道拱顶，则在隧道三维模型中对标记位置中的最低点位置进行确定，利用坐标距离公式对最低点位置相较于坐标原点的垂直距离进行计算，基于计算结果对标记位置受到的压力值进行计算，具体的计算公式为：

Q_i＝[24*E*(h′-h_i)]/L³ _i；

其中，i＝1,2,…,n，表示位于隧道拱顶的标记位置对应的编号，n表示位于隧道拱顶的标记位置总数,E表示隧道拱顶的抗弯刚度值，h_i表示编号为i的标记位置中的最低点位置相较于坐标原点的垂直距离值，h′表示隧道拱顶相较于坐标原点的标准垂直距离值，h′-h_i表示编号为i的标记位置对应的隧道拱顶下沉量，L_i表示编号为i的标记位置的变形长度，Q_i表示编号为i的标记位置受到的压力值；

根据W_i＝(Q_i-Q′)/Q′对标记位置的变形程度进行预测，其中，Q′表示隧道拱顶能够承受的最大压力值，W_i编号为i的标记位置的变形程度；

S202：若标记位置位于隧道拱腰，则根据隧道三维模型对标记位置的变形宽度进行确定，根据确定的变形宽度对标记位置的变形程度进行预测，具体的预测公式为：

E_j＝{[(R_j*K)/F]-S}/S；

其中，j＝1,2,…,m，表示位于隧道拱腰的标记位置对应的编号，m表示位于隧道拱腰的标记位置总数，R_j表示编号为j的标记位置对应的最大裂缝宽度，F表示隧道中土工合成材料的宽度，K表示隧道土体的相对抗拔系数，S表示隧道拱腰能够承受的最大压力值，(R_j*K)/F表示编号为j的标记位置受到的压力值，E_j表示编号为j的标记位置的变形程度；

S203：若标记位置位于隧道拱脚，则在隧道三维模型中对标记位置中的最高点位置进行确定，利用坐标距离公式对最高点位置相较于坐标原点的垂直距离f1进行计算，对最高点位置在隧道标准三维模型中的相对位置进行确定，利用坐标距离公式对相对位置相较于坐标原点的垂直距离f2进行计算，根据D_p＝[(f1-f2)-g]/g，其中，p＝1,2,…,q，表示位于隧道拱脚的标记位置对应的编号，q表示位于隧道拱脚的标记位置总数，g表示隧道拱脚允许的沉降量，D_p表示编号为p的标记位置的变形程度。

S30：对隧道的安全指数进行预测；

S30根据标记位置在隧道三维模型中的位置信息，对标记位置进行匹配，具体的匹配方法为：

在隧道三维模型中任选一点作为坐标原点构建三维空间坐标系，随机选取一个位于隧道顶部的标记位置，利用坐标距离计算公式对选取的标记位置和位于隧道拱腰的标记位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱腰的标记位置进行确定，利用坐标距离计算公式对确定的位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱脚的标记位置进行确定，基于确定结果，对位于隧道拱顶的标记位置、位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置进行匹配，直至位于隧道顶部的标记位置均被选取，匹配成功的标记位置不参与后续的匹配操作；

对匹配的位于隧道拱顶的标记位置、位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置的端点位置坐标进行获取，利用距离计算公式对两两端点之间的垂直距离值进行计算，以计算的垂直距离最大值对应的端点坐标进行确定，以两端点坐标所在隧道横截面之间的隧道区域作为一个划分区域，结合S20中预测的各标记位置的变形程度，对各划分区域的安全指数进行预测，具体的预测公式为：

其中，编号为i、p、j的标记位置位于同一划分区域内，U_ij表示编号为i的标记位置与编号为j的标记位置之间的距离值，u_ij表示编号为i的标记位置与编号为j的标记位置之间的垂直距离值，V_pj表示编号为p的标记位置与编号为j的标记位置之间的距离值，v_pj编号为p的标记位置与编号为j的标记位置之间的垂直距离值，γ表示划分区域的安全指数，当1-[(U_ij-u_ij)/u_ij]≤0时，当1-[(U_ij-u_ij)/u_ij]＞0时，当1-[(V_pj-v_pj)/v_pj]≤0时，/>当1-[(V_pj-v_pj)/v_pj]＞0时，/>

利用对位于隧道拱顶的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性进行预测，利用/>对位于隧道拱脚的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的相关性进行预测，由于隧道拱腰偏压会导致隧道拱顶和隧道拱脚下沉，因此根据计算的相关性可精确的对划分区域的安全指数进行计算；

S40：根据预测的隧道安全指数，对隧道进行安全预警。

S40将S30中预测的安全指数与设定阈值进行比较，若γ≥设定阈值，则在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作，此时，若γ＜设定阈值，则无需在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作。

基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，系统包括隧道变形位置确定模块、变形程度预测模块、隧道安全指数计算模块和安全预警模块；

隧道变形位置确定模块用于根据构建的隧道三维模型对隧道变形位置进行确定；

隧道变形位置确定模块包括隧道点云数据采集单元、隧道三维模型构建单元和隧道变形位置确定单元；

点云数据采集单元利用搭设在无人机上的三维激光扫描仪对隧道内部进行扫描，得到隧道内部的激光点云数据，对得到的激光点云数据进行裁剪、去噪和重采样处理，并将处理后的激光点云数据传输至隧道三维模型构建单元；

隧道三维模型构建单元对点云数据采集单元传输的处理后的激光点云数据进行接收，隧道三维模型构建单元以隧道中心线上的任一点作为坐标原点构建绝对坐标系，根据无人机在各运动位置的坐标信息，通过坐标转换对无人机在各运动位置采集的处理后的激光点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道三维模型，并将得到的隧道三维模型传输至隧道变形位置确定单元；

隧道变形位置确定单元对隧道三维模型构建单元传输的隧道三维模型进行接收，将接收的隧道三维模型与隧道标准三维模型进行匹配，根据匹配结果，对隧道变形位置进行确定，并将确定的隧道变形位置传输至变形程度预测模块。

变形程度预测模块用于对隧道各变形位置的变形程度进行预测；

变形程度预测模块包括变形位置划分单元、第一预测单元、第二预测单元和第三预测单元；

变形位置划分单元对隧道变形位置确定单元传输的隧道变形位置进行接收，若接收的隧道变形位置位于隧道拱顶，则将接收的隧道变形位置传输至第一预测单元，若接收的隧道变形位置位于隧道拱腰，则将接收的隧道变形位置传输至第二预测单元，若接收的隧道变形位置位于隧道拱脚，则将接收的隧道变形位置传输至第三预测单元；

第一预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，在隧道三维模型中对标记位置中的最低点位置进行确定，基于确定结果，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块；

第二预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，根据隧道三维模型对标记位置的变形宽度进行确定，基于确定结果，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块；

第三预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，在隧道三维模型中对标记位置中的最高点位置进行确定，结合最高点位置在隧道标准三维模型中的相对位置，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块。

隧道安全指数计算模块用于对各划分区域的隧道安全指数进行计算；

隧道安全指数计算模块包括变形位置匹配单元、隧道区域划分单元和隧道安全指数计算单元；

变形位置匹配单元在隧道三维模型中任选一点作为坐标原点构建三维空间坐标系，随机选取一个位于隧道顶部的变形位置，对选取的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱腰的变形位置进行确定，对确定的位于隧道拱腰的变形位置与位于隧道拱脚的变形位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱脚的变形位置进行确定，基于确定结果，对位于隧道拱顶的变形位置、位于隧道拱腰的变形位置和位于隧道拱脚的变形位置进行匹配，并将匹配结果传输至隧道区域划分单元；

隧道区域划分单元对变形位置匹配单元传输的匹配结果进行接收，根据匹配结果对隧道进行区域划分，并将隧道区域划分结果传输至隧道安全指数计算单元；

隧道安全指数计算单元对隧道区域划分单元传输的隧道区域划分结果，以及第一预测单元、第二预测单元和第三预测单元传输预测结果进行接收，基于接收信息，对隧道各划分区域的安全指数进行预测，并将预测结果传输至安全预警模块。

安全预警模块用于对隧道进行安全预警。

安全预警模块对隧道安全指数计算单元传输的预测结果进行接收，将接收的预测结果与设定阈值进行比较，根据比较结果选择是否对隧道对应划分区域进行安全预警。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述方法包括：

S10：在无人机上搭设三维激光扫描仪，根据三维激光扫描仪在各运动位置采集的激光点云数据，对隧道的变形位置进行确定；

S20：基于S10中确定的隧道变形位置，对各变形位置的变形程度进行预测；

S30：对隧道的安全指数进行预测；

S40：根据预测的隧道安全指数，对隧道进行安全预警。

2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述S10以隧道中心线上的任一点作为坐标原点构建绝对坐标系，构建的绝对坐标系与隧道横断面所在平面平行，利用搭设在无人机上的三维激光扫描仪对隧道内部进行扫描，得到隧道内部的激光点云数据，对得到的激光点云数据进行裁剪、去噪和重采样处理，根据无人机在各运动位置的坐标信息，通过坐标转换对无人机在各运动位置采集的处理后的激光点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道三维模型；

将得到的隧道三维模型与隧道标准三维模型进行匹配，若匹配不成功，则表示隧道在匹配位置发生变形，对变形位置进行标记处理，若匹配成功，则表示隧道在匹配位置未发生变形。

3.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述S20包括：

S201：若标记位置位于隧道拱顶，则在隧道三维模型中对标记位置中的最低点位置进行确定，利用坐标距离公式对最低点位置相较于坐标原点的垂直距离进行计算，基于计算结果对标记位置受到的压力值进行计算，具体的计算公式为：

Q_i＝[24*E*(h′-h_i)]/L³ _i；

其中，i＝1,2,…,n，表示位于隧道拱顶的标记位置对应的编号，n表示位于隧道拱顶的标记位置总数,E表示隧道拱顶的抗弯刚度值，h_i表示编号为i的标记位置中的最低点位置相较于坐标原点的垂直距离值，h′表示隧道拱顶相较于坐标原点的标准垂直距离值，h′-h_i表示编号为i的标记位置对应的隧道拱顶下沉量，L_i表示编号为i的标记位置的变形长度，Q_i表示编号为i的标记位置受到的压力值；

根据W_i＝(Q_i-Q′)/Q′对标记位置的变形程度进行预测，其中，Q′表示隧道拱顶能够承受的最大压力值，W_i编号为i的标记位置的变形程度；

S202：若标记位置位于隧道拱腰，则根据隧道三维模型对标记位置的变形宽度进行确定，根据确定的变形宽度对标记位置的变形程度进行预测，具体的预测公式为：

E_j＝{[(R_j*K)/F]-S}/S；

其中，j＝1,2,…,m，表示位于隧道拱腰的标记位置对应的编号，m表示位于隧道拱腰的标记位置总数，R_j表示编号为j的标记位置对应的最大裂缝宽度，F表示隧道中土工合成材料的宽度，K表示隧道土体的相对抗拔系数，S表示隧道拱腰能够承受的最大压力值，(R_j*K)/F表示编号为j的标记位置受到的压力值，E_j表示编号为j的标记位置的变形程度；

S203：若标记位置位于隧道拱脚，则在隧道三维模型中对标记位置中的最高点位置进行确定，利用坐标距离公式对最高点位置相较于坐标原点的垂直距离f1进行计算，对最高点位置在隧道标准三维模型中的相对位置进行确定，利用坐标距离公式对相对位置相较于坐标原点的垂直距离f2进行计算，根据D_p＝[(f1-f2)-g]/g，其中，p＝1,2,…,q，表示位于隧道拱脚的标记位置对应的编号，q表示位于隧道拱脚的标记位置总数，g表示隧道拱脚允许的沉降量，D_p表示编号为p的标记位置的变形程度。

4.根据权利要求3所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述S30根据标记位置在隧道三维模型中的位置信息，对标记位置进行匹配，具体的匹配方法为：

在隧道三维模型中任选一点作为坐标原点构建三维空间坐标系，随机选取一个位于隧道顶部的标记位置，利用坐标距离计算公式对选取的标记位置和位于隧道拱腰的标记位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱腰的标记位置进行确定，利用坐标距离计算公式对确定的位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱脚的标记位置进行确定，基于确定结果，对位于隧道拱顶的标记位置、位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置进行匹配，直至位于隧道顶部的标记位置均被选取，匹配成功的标记位置不参与后续的匹配操作；

对匹配的位于隧道拱顶的标记位置、位于隧道拱腰的标记位置和位于隧道拱脚的标记位置的端点位置坐标进行获取，利用距离计算公式对两两端点之间的垂直距离值进行计算，以计算的垂直距离最大值对应的端点坐标进行确定，以两端点坐标所在隧道横截面之间的隧道区域作为一个划分区域，结合S20中预测的各标记位置的变形程度，对各划分区域的安全指数进行预测，具体的预测公式为：

其中，编号为i、p、j的标记位置位于同一划分区域内，U_ij表示编号为i的标记位置与编号为j的标记位置之间的距离值，u_ij表示编号为i的标记位置与编号为j的标记位置之间的垂直距离值，V_pj表示编号为p的标记位置与编号为j的标记位置之间的距离值，v_pj编号为p的标记位置与编号为j的标记位置之间的垂直距离值，γ表示划分区域的安全指数，当1-[(U_ij-u_ij)/u_ij]≤0时，当1-[(U_ij-u_ij)/u_ij]＞0时，当1-[(V_pj-v_pj)/v_pj]≤0时，/>当1-[(V_pj-v_pj)/v_pj]＞0时，/>

5.根据权利要求4所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法，其特征在于：所述S40将S30中预测的安全指数与设定阈值进行比较，若γ≥设定阈值，则在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作，此时，若γ＜设定阈值，则无需在隧道三维模型中对该划分区域进行预警操作。

6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警方法的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述系统包括隧道变形位置确定模块、变形程度预测模块、隧道安全指数计算模块和安全预警模块；

所述隧道变形位置确定模块用于根据构建的隧道三维模型对隧道变形位置进行确定；

所述变形程度预测模块用于对隧道各变形位置的变形程度进行预测；

所述隧道安全指数计算模块用于对各划分区域的隧道安全指数进行计算；

所述安全预警模块用于对隧道进行安全预警。

7.根据权利要求6所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述隧道变形位置确定模块包括隧道点云数据采集单元、隧道三维模型构建单元和隧道变形位置确定单元；

所述点云数据采集单元利用搭设在无人机上的三维激光扫描仪对隧道内部进行扫描，得到隧道内部的激光点云数据，对得到的激光点云数据进行裁剪、去噪和重采样处理，并将处理后的激光点云数据传输至隧道三维模型构建单元；

所述隧道三维模型构建单元对点云数据采集单元传输的处理后的激光点云数据进行接收，隧道三维模型构建单元以隧道中心线上的任一点作为坐标原点构建绝对坐标系，根据无人机在各运动位置的坐标信息，通过坐标转换对无人机在各运动位置采集的处理后的激光点云数据进行拼接处理，得到完整的隧道三维模型，并将得到的隧道三维模型传输至隧道变形位置确定单元；

所述隧道变形位置确定单元对隧道三维模型构建单元传输的隧道三维模型进行接收，将接收的隧道三维模型与隧道标准三维模型进行匹配，根据匹配结果，对隧道变形位置进行确定，并将确定的隧道变形位置传输至变形程度预测模块。

8.根据权利要求7所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述变形程度预测模块包括变形位置划分单元、第一预测单元、第二预测单元和第三预测单元；

所述变形位置划分单元对隧道变形位置确定单元传输的隧道变形位置进行接收，若接收的隧道变形位置位于隧道拱顶，则将接收的隧道变形位置传输至第一预测单元，若接收的隧道变形位置位于隧道拱腰，则将接收的隧道变形位置传输至第二预测单元，若接收的隧道变形位置位于隧道拱脚，则将接收的隧道变形位置传输至第三预测单元；

所述第一预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，在隧道三维模型中对标记位置中的最低点位置进行确定，基于确定结果，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块；

所述第二预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，根据隧道三维模型对标记位置的变形宽度进行确定，基于确定结果，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块；

所述第三预测单元对变形位置划分单元传输的隧道变形位置进行接收，在隧道三维模型中对标记位置中的最高点位置进行确定，结合最高点位置在隧道标准三维模型中的相对位置，对隧道变形位置的变形程度进行预测，并将预测结果传输至隧道安全指数计算模块。

9.根据权利要求8所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述隧道安全指数计算模块包括变形位置匹配单元、隧道区域划分单元和隧道安全指数计算单元；

所述变形位置匹配单元在隧道三维模型中任选一点作为坐标原点构建三维空间坐标系，随机选取一个位于隧道顶部的变形位置，对选取的变形位置与位于隧道拱腰的变形位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱腰的变形位置进行确定，对确定的位于隧道拱腰的变形位置与位于隧道拱脚的变形位置之间的距离值分别进行计算，基于距离最小值，对位于隧道拱脚的变形位置进行确定，基于确定结果，对位于隧道拱顶的变形位置、位于隧道拱腰的变形位置和位于隧道拱脚的变形位置进行匹配，并将匹配结果传输至隧道区域划分单元；

所述隧道区域划分单元对变形位置匹配单元传输的匹配结果进行接收，根据匹配结果对隧道进行区域划分，并将隧道区域划分结果传输至隧道安全指数计算单元；

所述隧道安全指数计算单元对隧道区域划分单元传输的隧道区域划分结果，以及第一预测单元、第二预测单元和第三预测单元传输预测结果进行接收，基于接收信息，对隧道各划分区域的安全指数进行预测，并将预测结果传输至安全预警模块。

10.根据权利要求9所述的基于三维激光扫描的隧道变形监测安全预警系统，其特征在于：所述安全预警模块对隧道安全指数计算单元传输的预测结果进行接收，将接收的预测结果与设定阈值进行比较，根据比较结果选择是否对隧道对应划分区域进行安全预警。