CN208736365U - 动态三维隧道断面形变检测及分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种动态三维隧道断面形变检测分析系统。所述系统包括：检测装置、全站仪以及微处理器，所述检测装置，用于在移动过程中进行数据采集；所述全站仪，用于当所述检测装置在轨道上移动时，跟踪并确定所述检测装置的轨迹数据；所述微处理器，位于所述检测装置上，与所述全站仪连接，用于储存并分析所述检测装置和所述全站仪各自获取的数据。通过本实用新型，可以在较短的维护期间内，快速获取三维空间信息数据集，以对隧道进行形变分析、侵界分析，提高了获取数据的效率。可通过扫描仪与车载平台的共同移动，提高数据的采集精度，实现对隧道安全状态的准确评估。

Description

动态三维隧道断面形变检测及分析系统

技术领域

本实用新型涉及隧道检测技术领域，具体而言，涉及一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统。

背景技术

随着城市经济的发展和人民生活水平的提高，城市规模不断扩大。城市空间结构也普遍随着城市规模的扩大和城市化进程的加快由单个中心向多中心发展。中心市区与外围城区间的交通需求也随之迅速增长。基于此，为人们提供快速、便捷的城市轨道交通就显得尤为重要。

为解决这一问题，主要的措施之一是发展高效便捷的地下轨道公共交通，建立地下公共交通网。其作为城市中运送旅客的主要载体，安全问题一直是人们所关注的重点。就地下隧道的轨道交通而言，隧道建筑空间因运营时间增加及地表施工等原因会发生形变，并有可能引起的一系列严重影响地铁隧道正常运营的病害问题。由于隧道中两侧墙壁上安装有通信光缆和动力电缆及其安装支撑结构，隧道顶端有为地铁车辆在隧道内的靠站与正常行驶提供通信与动力保证的受电弓接触网及安装挂件，地铁列车在运行过程中，应避免与隧道上述装置及机构发生碰撞干涉，否则很容易导致行车事故的发生，因此需要对隧道限界进行实时检测，隧道限界分析对于轨道交通安全运营环境具有重大的影响。

目前，对隧道空间结构进行检测的测量方法主要有接触式测量和非接触式测量两种方法。接触式测量包括人工量具测量法和传感器测量法，非接触式测量包括三维激光扫描、近景摄影测量、全站仪自由设站测量、精密水准检测、探地雷达检测、红外线热成像测量等。由于上述方式多采用测量少数坐标点连接成线的方法，会产生比较大的误差，尤其是对隧道断面进行点数加密的时候需要进行多次测量来完成，大大降低了其准确性和工作效率。

而利用三维激光扫描技术进行隧道空间结构检测是近几年发展起来的一种新的测量方法。它利用激光测距原理，通过扫描获取隧道表面大量的点的三维坐标、反射率等信息，对这些大量的点的数据即点云数据进行处理后，可以获得被扫描隧道建筑空间的三维模型，并可对隧道模型表面各个点、线、面的图形数据进行更加具体细致的分析，从而判断隧道表面是否有渗漏水、形变等病害现象。应用三维激光扫描技术一般是将扫描仪安放在三角支架上进行固定式扫描，由于激光扫描仪所扫描的有效距离是有限制的，因此固定式扫描测量时需要事先选好合适的三角支架安放点，一次测量结束后需要移动道下一个进行下一次测量，在数据采集过程需要设置站点(扫描仪固定位置)和标靶(用作后续的邻近图像拼接标志)，此种固定式扫描需要实际扫描经验，如果由于标靶设置或其它实验布置问题而导致无法正确拼接，则需要考虑重新进行实验数据的采集。对于隧道的长距离性，固定式扫描的隧道内点云数据采集效率低，且在数据采集期间需要进行搬站，无法满足隧道内部空间数据的快速采集。

目前，针对现有技术中如何高效准确获取隧道三维空间信息数据的问题，尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例中提供一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统，以解决现有技术中采用全站仪以及其他辅助设备进行三维数据的获取需要设置扫描仪站点以及布置标靶，在数据采集期间需要搬站，降低了工作效率且数据采集的精度较低的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型提供了一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统，所述系统包括：检测装置、全站仪以及微处理器，

所述检测装置，用于在移动过程中进行数据采集；

所述全站仪，用于当所述检测装置在轨道上移动时，跟踪并确定所述检测装置的轨迹数据；

所述微处理器，位于所述检测装置上，与所述全站仪连接，用于储存并分析所述检测装置和所述全站仪各自获取的数据。

进一步地，所述检测装置包括：车载平台、扫描仪、倾角仪、棱镜以及车轮，

所述扫描仪位于所述车载平台上，用于采集隧道断面信息以及轨道断面信息，以获取点云数据集；

所述倾角仪，位于所述车载平台上，用于获取所述检测装置的二维姿态数据；

所述全站仪，用于当所述车载平台在轨道上移动时，跟踪并获取所述棱镜的三维坐标，并基于所述三维坐标确定所述检测装置的三维坐标，以确定所述检测装置的轨迹数据；其中，所述棱镜与所述车载平台上的所述扫描仪连接；所述棱镜的三维坐标与所述检测装置的坐标具有一一对应的关系；

所述车轮位于所述车载平台的下方，所述车轮用于带动所述车载平台在所述隧道的轨道上移动；

所述微处理器，还与所述扫描仪、所述倾角仪分别连接，所述微处理器包括：同步定位装置、三维空间信息重建装置、数据处理装置以及界限分析装置，

所述同步定位装置，与所述扫描仪、所述倾角仪以及所述全站仪分别连接，用于以所述倾角仪产生的脉冲信号为同步信号，将所述二维姿态数据以及所述轨迹数据进行数据同步整合，生成定位信息；

所述三维空间信息重建装置，与所述同步定位装置以及所述扫描仪连接，用于基于所述点云数据集以及所述定位信息生成所述隧道的三维空间信息数据集；

所述数据处理装置，与所述三维空间信息重建装置连接，用于根据所述三维空间信息数据集对所述隧道进行形变分析；

所述界限分析装置，与所述扫描仪连接，用于将所述点云数据集去噪后拟合成圆，并确定所述圆的圆心坐标；若所述圆心坐标到所述扫描仪采集的隧道断面以及轨道断面数据的距离小于所述圆心坐标到预设限界轮廓的距离，则确定发生侵界现象。

进一步地，所述倾角仪，用于产生并向所述全站仪、所述扫描仪以及所述同步定位装置发送所述脉冲信号；且每产生一次脉冲信号，则记录一次当前的二维姿态数据；并将记录的二维姿态数据发送至所述同步定位装置；

所述全站仪，用于每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前的轨迹数据；并将记录的轨迹数据发送至所述同步定位装置；

所述同步定位装置，用于基于所述脉冲信号，将记录的轨迹数据以及记录的二维姿态数据合并，以生成所述定位信息。

进一步地，所述扫描仪，用于每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前获取的点云数据集；并将记录的点云数据集发送至所述三维空间信息重建装置；

所述三维空间信息重建装置，用于将接收到的点云数据集与所述定位信息合并，以生成所述三维空间信息数据集。

进一步地，所述检测装置还包括：设置在一侧车轮上的固定顶紧结构与设置在另一侧车轮上的浮动顶紧结构，所述固定顶紧结构和所述浮动顶紧结构构成安全限位系统，用于防止所述检测装置脱轨。

进一步地，所述检测装置还包括：与所述车载平台连接的支撑架，所述扫描仪安装在所述支撑架上，所述支撑架的高度能够进行调节。

进一步地，所述车载平台为“工”字型车载平台，包括两根长横梁以及连接两根长横梁中点的短横梁，所述支撑架安装在所述短横梁的中心处，所述倾角仪安装在所述车载平台前侧一长横梁的中心处。

进一步地，所述检测装置还包括：供电装置，

所述供电装置，与所述扫描仪、倾角仪、全站仪、微处理器以及分别连接，用于提供工作电压。

进一步地，所述棱镜与所述扫描仪刚性连接，所述棱镜为360度棱镜。

进一步地，所述二维姿态数据包括：所述检测装置的横滚角、俯仰角以及航向角；

所述轨迹数据包括：所述检测装置移动的路程；

所述定位信息为所述二维姿态数据以及所述轨迹数据合并后得到的信息。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种动态三维隧道断面形变检测及分析方法，所述方法应用于第一方面所述的系统中，所述系统包括检测装置，所述方法包括：

控制扫描仪采集隧道断面信息以及轨道断面信息，以获取点云数据集；其中，所述扫描仪位于所述检测装置的车载平台上，所述检测装置随所述车载平台的移动而移动；

控制倾角仪获取所述检测装置的二维姿态数据；

控制全站仪获取所述检测装置的轨迹数据；

基于同步信号将所述二维姿态数据、所述轨迹数据进行数据同步整合，以生成定位信息；其中，所述倾角仪产生的脉冲信号为所述同步信号；

根据所述点云数据集以及所述定位信息生成所述隧道的三维空间信息数据集；

根据所述三维空间信息数据集对所述隧道进行形变分析；

如果所述点云数据集去噪后拟合的圆的圆心坐标到所述隧道断面以及轨道断面数据的距离小于所述圆心坐标到预设限界轮廓的距离，则确定发生侵界现象。

进一步地，控制全站仪获取所述检测装置的轨迹数据包括：

控制所述全站仪实时跟踪并获取棱镜中心点的三维坐标；

控制所述全站仪根据棱镜中心点的三维坐标确定所述检测装置的中心三维坐标；其中，所述棱镜中心点的三维坐标与所述检测装置的中心三维坐标具有一一对应的关系；

控制所述全站仪根据所述检测装置的中心三维坐标，确定所述检测装置的轨迹数据。

进一步地，所述基于同步信号将所述二维姿态数据、所述轨迹数据进行数据同步整合，以生成定位信息包括：

控制所述全站仪每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前的轨迹数据；

控制所述倾角仪每发送一次脉冲信号，则记录一次当前的二维姿态数据；

将记录的轨迹数据与记录的二维姿态数据合并，生成定位信息。

进一步地，根据所述点云数据集以及所述定位信息生成所述隧道的三维空间信息数据集包括：

将所述点云数据集与所述定位信息进行合并，生成所述三维空间信息数据集。

进一步地，所述方法还包括：

接收所述供电装置提供的电压。

进一步地，所述二维姿态数据包括：所述检测装置的横滚角、俯仰角以及航向角；

所述轨迹数据包括：所述检测装置移动的路程；

所述定位信息为所述二维姿态数据以及所述轨迹数据合并后得到的信息。

第三方面，本实用新型实施例提供一种动态三维隧道断面形变检测及分析装置，所述装置用于执行第二方面所述的方法，所述分析装置包括：

采集模块，用于控制扫描仪采集隧道断面信息以及轨道断面信息，以获取点云数据集；其中，所述扫描仪位于所述检测装置的车载平台上，所述检测装置随所述车载平台的移动而移动；还用于控制倾角仪获取所述检测装置的二维姿态数据；控制全站仪获取所述检测装置的轨迹数据；

定位信息生成模块，用于基于同步信号将所述二维姿态数据、所述轨迹数据进行数据同步整合，以生成定位信息；其中，所述倾角仪产生的脉冲信号为所述同步信号；

三维空间信息数据集生成模块，用于根据所述点云数据集以及所述定位信息生成所述隧道的三维空间信息数据集；

形变分析模块，用于根据所述三维空间信息数据集对所述隧道进行形变分析；

侵界分析模块，用于如果所述点云数据集去噪后拟合的圆的圆心坐标到所述隧道断面以及轨道断面数据的距离小于所述圆心坐标到预设限界轮廓的距离，则确定发生侵界现象。

进一步地，所述采集模块，还用于控制所述全站仪实时跟踪并获取棱镜中心点的三维坐标；控制所述全站仪根据棱镜中心点的三维坐标确定所述检测装置的中心三维坐标；控制所述全站仪根据所述检测装置的中心三维坐标，确定所述检测装置的轨迹数据；其中，所述棱镜中心点的三维坐标与所述检测装置的中心三维坐标具有一一对应的关系。

进一步地，所述定位信息生成模块，还用于控制所述全站仪每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前的轨迹数据；控制所述倾角仪每发送一次脉冲信号，则记录一次当前的二维姿态数据；将记录的轨迹数据与二维姿态数据合并，生成定位信息。

进一步地，所述三维空间信息数据集生成模块，用于将所述点云数据集与所述定位信息进行合并，生成所述三维空间信息数据集。

应用本实用新型的技术方案，相较于现有技术来说，数据的采集过程由静态转为动态，不需要设置扫描仪站点，不需要布置标靶，且不需要搬站，可以在较短的维护期间内，快速获取三维空间信息数据集，提高了获取数据的效率。且可通过扫描仪与车载平台的共同移动，提高数据的采集精度。还可以对隧道的形变程度进行准确地评估，并且，避免发生侵界现象，以进一步保证轨道交通的安全运营。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统的结构框图；

图2是根据本实用新型实施例的一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统的结构框图；

图3是根据本实用新型实施例的一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统的结构框图；

图4是根据本实用新型实施例的一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统所生成的隧道断面实时界限分析影像；

图5是根据本实用新型实施例的一种动态三维隧道断面形变检测及分析方法的流程图；

图6是根据本实用新型实施例的一种动态三维隧道断面形变检测及分析装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

为解决现有技术中采用全站仪以及其他辅助设备进行三维数据的获取需要设置扫描仪站点以及布置标靶，在数据采集期间需要搬站，降低了工作效率的问题，本实用新型实施例提供了一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统，如图1所示，分析系统包括检测装置101、全站仪102以及微处理器103。

检测装置101，用于在移动过程中进行数据采集；全站仪102，用于当检测装置101在轨道上移动时，跟踪并确定检测装置101的轨迹数据；微处理器103，位于检测装置101上，与全站仪102连接，用于储存并分析检测装置101和全站仪102各自获取的数据。

图2以及图3对检测装置101、全站仪102以及微处理器103做具体分析，需要注意的是，全站仪102与检测装置101是两个独立的结构。图2中，为标号统一，遂将微处理器采用阿拉伯数字4来进行标号，可以理解的是，微处理器4和微处理器101并无区别。

如图2和图3所示，检测装置101(图2和图3中未示出)包括：车载平台5、扫描仪8、倾角仪2、棱镜7以及车轮1，

扫描仪8位于车载平台5上，用于采集隧道断面信息以及轨道断面信息，以获取点云数据集；

倾角仪2，位于车载平台5上，用于获取检测装置101的二维姿态数据；

全站仪，用于当车载平台5在轨道上移动时，跟踪并获取棱镜7 的三维坐标，并基于三维坐标确定检测装置101的三维坐标，以确定检测装置101的轨迹数据；其中，棱镜7与车载平台5上的扫描仪8 连接；棱镜7的三维坐标与检测装置101的坐标具有一一对应的关系；

微处理器4，位于检测装置101上，还与扫描仪8、倾角仪2分别连接，微处理器4包括：同步定位装置9、三维空间信息重建装置10、数据处理装置11以及界限分析装置12，

车轮1位于车载平台5的下方，车轮1用于带动车载平台5在隧道的轨道上移动。可采用人工推动的方式来控制车载平台的移动。

同步定位装置9，与扫描仪8、倾角仪2以及全站仪分别连接，用于以倾角仪2产生的脉冲信号为同步信号，将二维姿态数据以及轨迹数据进行数据同步整合，生成定位信息；

三维空间信息重建装置10，与同步定位装置9以及扫描仪8连接，用于基于点云数据集以及定位信息生成隧道的三维空间信息数据集；

数据处理装置11，与三维空间信息重建装置10连接，用于根据三维空间信息数据集对隧道进行形变分析；

界限分析装置12，与扫描仪8连接，用于将点云数据集去噪后拟合成圆，并确定圆的圆心坐标；若圆心坐标到扫描仪8采集的隧道断面以及轨道断面数据的距离小于圆心坐标到预设限界轮廓的距离，则确定发生侵界现象。

应用本实用新型的技术方案，检测装置101包括车载平台5、扫描仪8、倾角仪2、棱镜7以及车轮1。检测装置101上还设置有微处理器4。具体地，车轮的运动可带动车载平台5在轨道上移动。车载平台 5的移动又可带动扫描仪8进行全方位的扫描。系统则可基于倾角仪2 产生的脉冲信号，将二维姿态数据以及轨迹数据进行合并，生成定位信息，根据定位信息以及扫描仪8获取的点云数据集生成三维空间信息数据集，并对三维空间信息数据集进行形变分析。还可以基于点云数据集，对隧道进行实时限界分析，以避免发生侵界现象。相较于现有技术来说，数据的采集过程由静态转为动态，不需要设置扫描仪8 站点，不需要布置标靶，且不需要搬站，可以在较短的维护期间内，快速获取三维空间信息数据集，提高了获取数据的效率。且可通过扫描仪8与车载平台5的共同移动，提高数据的采集精度。还可以对隧道的形变程度进行准确地评估，并且，避免发生侵界现象，以进一步保证轨道交通的安全运营。

在一种可能的实现方式中，车载平台5为“工”字型车载平台5，包括两根长横梁以及连接两根长横梁中点的短横梁，支撑架6安装在短横梁的中心处，倾角仪2安装在车载平台5前侧一长横梁的中心处。检测装置101还包括：与车载平台5连接的支撑架6，扫描仪8安装在支撑架6 上，支撑架6的高度能够进行调节。基于车载平台5的特殊结构设计，扫描仪8可用于隧道断面以及轨道信息的采集，获得2D点云数据集，且支撑架6与车载平台5固定连接。在一种应用性示例中，扫描仪8为三维激光扫描仪8，在隧道检测之前，先将扫描仪8设置为2D扫描模式，由于扫描仪8启动时数据采集不稳定，为提高断面扫描准确度，在扫描仪 8开启断面扫描预设圈数，例如：30圈之后，再开始进行隧道检测。检测装置101保持匀速行驶，确保隧道信息数据采集均匀性。在结束隧道扫描工作时，先由微处理器4控制检测装置101停止移动，再停止所述扫描仪8的断面扫描。

在一种可能的实现方式中，倾角仪2固定安装于车载平台5上，用于对车载平台5在移动过程中的倾斜角度也就是二维姿态数据进行实时采集(也可以是分段采集)，以获取检测装置101在移动过程中，与水平面之间的二维姿态数据，从而确定车载平台5在不同时刻、不同位置的倾斜姿态。二维姿态数据包括：检测装置101的横滚角、俯仰角以及航向角。

在一种可能的实现方式中，棱镜7与扫描仪8刚性连接，棱镜7为360 度棱镜7。由此，全站仪可更加准确地确定检测装置101的轨迹数据。在一个示例中，全站仪根据绝对控制点进行设站定向，以确定自身坐标系；将360度棱镜7作为待定点，通过后方交会的方式确定360°棱镜7 的中心三维坐标，全站仪通过对360°棱镜7的连续跟踪，可采集360°棱镜7中心点在不同时刻不同位置的三维坐标。如图2所示，又因为360°棱镜7与扫描仪8为刚性连接关系，扫描仪8属于检测装置101，则可通过坐标转换，确定同一时刻下，检测装置101的三维坐标，进而根据检测装置101的三维坐标，确定检测装置101的轨迹信息。其中，轨迹数据包括：检测装置101移动的路程；可以理解的是，倾角仪2和全站仪的综合应用，也可降低检测装置101的制造成本。

在一种可能的实现方式中，倾角仪2，用于产生并向全站仪、扫描仪8以及同步定位装置9发送脉冲信号；且每产生一次脉冲信号，则记录一次当前的二维姿态数据；并将记录的二维姿态数据发送至同步定位装置9；全站仪，用于每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前的轨迹数据；并将记录的轨迹数据发送至同步定位装置9；同步定位装置 9，用于基于脉冲信号，将记录的轨迹数据以及记录的二维姿态数据合并，以生成定位信息。扫描仪8，用于每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前获取的点云数据集；并将记录的点云数据集发送至三维空间信息重建装置10；三维空间信息重建装置10，用于将接收到的点云数据集与定位信息合并，以生成三维空间信息数据集。其中，定位信息为二维姿态数据以及轨迹数据合并后得到的信息。

在一种可能的实现方式中，数据处理装置11可以对生成的三维隧道空间数据集进行数据结构分析，生成隧道三维空间影像，通过对隧道三维空间影像的分析，可生成隧道病害特征影像。通过进一步的线下数据分析处理，可对隧道病害特征进行分析；可对隧道进行形变分析，确定隧道变形程度；可对隧道进行三维实体模型建立。

在一种可能的实现方式中，限界分析装置12，可根据隧道类型、相关车型标准以及侵界的相关规则标准预先制定出限界轮廓，用户也可根据不同的车型及需求来自定义限界范围。然后基于实时生成的隧道断面点云数据来达到实时的在线监测及限界分析。侵界数据主要由一台扫描仪8在断面扫描模式下采集的数据组成。其中，断面轮廓(扫描扇形区域)为-60°到240°的范围。侵界分析方法为一套算法，即以 RANSAC方法去噪后的隧道点云来拟合圆，并确定圆心坐标，根据圆心坐标发出一条射线，每间隔0.5°的距离进行一次采样检测。主要判断指标为，一定角度下圆心到限界轮廓的距离以及圆心到实时断面数据的距离。将上述两个距离进行对比，当圆心到实时断面数据的距离小于圆心到限界轮廓的距离时，便认为发生侵界现象，从而达到侵界检测的目的。

需要说明的是，如图3所示，扫描仪8和界限分析装置12中间的虚线表示界限分析装置12只需根据扫描仪8采集的点云数据集即可进行侵界分析。

在一种可能的实现方式中，车轮1可以为四个圆柱轮，在扫描过程中，车轮1的左右晃动会造成车载平台5的蛇形移动趋势，从而影响到数据采集的准确性。为解决这一问题，检测装置101还包括：设置在一侧车轮1上的固定顶紧结构与设置在另一侧车轮1上的浮动顶紧结构，固定顶紧结构和浮动顶紧结构构成安全限位系统，用于防止检测装置101脱轨。由此，检测装置101在隧道弯道处转向时，轨道对车轮1产生自动调整力，使浮动顶紧机构产生位移形变，从而贴紧轨道实现准确转向。固定顶紧机构和浮动顶紧机构构成了安全限位系统，从而防止检测装置101脱轨。

在一种可能的实现方式中，检测装置101还包括：供电装置3，与扫描仪8、倾角仪2、全站仪、微处理器4以及分别连接，用于提供工作电压。优选的，供电装置3为锂电池。

由此，可快速地获取待扫描隧道的三维空间数据，提高了扫描效率；且扫描仪8的应用，提高了扫描的精度(数据精度可以达到毫米级别)；倾角仪2与全站仪的综合应用，降低了检测装置101的制造成本。扫描仪8可同时获取隧道断面信息及轨道断面信息，可一次性采集多项数据，提高了数据采集的准确性和全面性。且可基于数据处理装置11，对隧道进行形变分析、病害检测，基于限界分析装置，对隧道的侵界情况进行检测。其中，在实际检测时，均可根据用户的设定，进行实时检测，以提高检测的实时性以及准确性。

基于全站仪与倾角仪2综合应用的动态隧道断面形变检测分析系统所采集的隧道局部点云数据集以及生成的整体弯曲隧道的三维空间点云数据集，根据以上数据集可准确获取隧道及轨道三维空间信息，从而进一步实现隧道病害特征分析和隧道形变分析，以及如图4所示的隧道断面实时限界分析，检测是否发生侵界现象。

图5示出了根据本实用新型实施例的一种分析方法，方法应用于上述实施例所示的系统中，系统包括检测装置，方法包括：

步骤701、控制扫描仪采集隧道断面信息以及轨道断面信息，以获取点云数据集；

其中，扫描仪位于检测装置的车载平台上，车载平台随检测装置的移动而移动；

步骤702、控制倾角仪获取检测装置的二维姿态数据；

步骤703、控制全站仪获取检测装置的轨迹数据；

步骤704、基于同步信号将二维姿态数据、轨迹数据进行数据同步整合，以生成定位信息；其中，倾角仪产生的脉冲信号为同步信号；

步骤705、根据点云数据集以及定位信息生成隧道的三维空间信息数据集；

步骤706、根据三维空间信息数据集对隧道进行形变分析；

步骤707、如果点云数据集去噪后拟合的圆的圆心坐标到隧道断面以及轨道断面数据的距离小于圆心坐标到预设限界轮廓的距离，则确定发生侵界现象。

在一种可能的实现方式中，步骤S703、控制全站仪获取检测装置的轨迹数据包括：控制全站仪实时跟踪并获取棱镜中心点的三维坐标；控制全站仪根据棱镜中心点的三维坐标确定检测装置的中心三维坐标；其中，棱镜中心点的三维坐标与检测装置的中心三维坐标具有一一对应的关系；控制全站仪根据检测装置的中心三维坐标，确定检测装置的轨迹数据。

在一种可能的实现方式中，步骤S704、基于同步信号将二维姿态数据、轨迹数据进行数据同步整合，以生成定位信息包括：控制全站仪每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前的轨迹数据；控制倾角仪每发送一次脉冲信号，则记录一次当前的二维姿态数据；将记录的轨迹数据与记录的二维姿态数据合并，生成定位信息。

在一种可能的实现方式中，步骤S705、根据点云数据集以及定位信息生成隧道的三维空间信息数据集包括：将点云数据集与定位信息进行合并，生成三维空间信息数据集。

在一种可能的实现方式中，方法还包括：

接收供电装置提供的电压。

在一种可能的实现方式中，二维姿态数据包括：检测装置的横滚角、俯仰角以及航向角；轨迹数据包括：检测装置移动的路程；定位信息为二维姿态数据以及轨迹数据合并后得到的信息。

相较于现有技术来说，数据的采集过程由静态转为动态，不需要设置扫描仪站点，不需要布置标靶，且不需要搬站，可以在较短的维护期间内，快速获取三维空间信息数据集，提高了获取数据的效率。且可通过扫描仪与车载平台的共同移动，提高数据的采集精度，从而实现对隧道安全状态的准确评估。

图6示出了一种动态三维隧道断面形变检测及分析装置，该装置用于执行图5所示的方法，分析装置包括：

采集模块801，用于控制扫描仪采集隧道断面信息以及轨道断面信息，以获取点云数据集；其中，扫描仪位于检测装置的车载平台上，车载平台随检测装置的移动而移动；还用于控制倾角仪获取检测装置的二维姿态数据；控制全站仪获取检测装置的轨迹数据；

定位信息生成模块802，用于基于同步信号将二维姿态数据、轨迹数据进行数据同步整合，以生成定位信息；其中，倾角仪产生的脉冲信号为同步信号；

三维空间信息数据集生成模块803，用于根据点云数据集以及定位信息生成隧道的三维空间信息数据集；

形变分析模块804，用于根据三维空间信息数据集对隧道进行形变分析；

界限分析模块805，用于如果点云数据集去噪后拟合的圆的圆心坐标到隧道断面以及轨道断面数据的距离小于圆心坐标到预设限界轮廓的距离，则确定发生侵界现象。

在一种可能的实现方式中，采集模块801，还用于控制全站仪实时跟踪并获取棱镜中心点的三维坐标；控制全站仪根据棱镜中心点的三维坐标确定检测装置的中心三维坐标；控制全站仪根据检测装置的中心三维坐标，确定检测装置的轨迹数据；其中，棱镜中心点的三维坐标与检测装置的中心三维坐标具有一一对应的关系。

在一种可能的实现方式中，定位信息生成模块802，还用于控制全站仪每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前的轨迹数据；控制倾角仪每发送一次脉冲信号，则记录一次当前的二维姿态数据；将记录的轨迹数据与二维姿态数据合并，生成定位信息。

在一种可能的实现方式中，三维空间信息数据集生成模块803，用于将点云数据集与定位信息进行合并，生成三维空间信息数据集。

相较于现有技术来说，数据的采集过程由静态转为动态，不需要设置扫描仪站点，不需要布置标靶，且不需要搬站，可以在较短的维护期间内，快速获取三维空间信息数据集，提高了获取数据的效率。且可通过扫描仪与车载平台的共同移动，提高数据的采集精度，从而实现对隧道安全状态的准确评估。

需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台移动终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述的方法。

上面结合图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种动态三维隧道断面形变检测及分析系统，其特征在于，所述系统包括：检测装置、全站仪以及微处理器，

所述检测装置，用于在移动过程中进行数据采集；

所述全站仪，用于当所述检测装置在轨道上移动时，跟踪并确定所述检测装置的轨迹数据；

所述微处理器，位于所述检测装置上，与所述全站仪连接，用于储存并分析所述检测装置和所述全站仪各自获取的数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述检测装置包括：车载平台、扫描仪、倾角仪、棱镜以及车轮，

所述扫描仪位于所述车载平台上，用于采集隧道断面信息以及轨道断面信息，以获取点云数据集；

所述倾角仪，位于所述车载平台上，用于获取所述检测装置的二维姿态数据；

所述全站仪，用于当所述车载平台在轨道上移动时，跟踪并获取所述棱镜的三维坐标，并基于所述三维坐标确定所述检测装置的三维坐标，以确定所述检测装置的轨迹数据；其中，所述棱镜与所述车载平台上的所述扫描仪连接；所述棱镜的三维坐标与所述检测装置的坐标具有一一对应的关系；

所述车轮位于所述车载平台的下方，所述车轮用于带动所述车载平台在所述隧道的轨道上移动；

所述微处理器，还与所述扫描仪、所述倾角仪分别连接，所述微处理器包括：同步定位装置、三维空间信息重建装置、数据处理装置以及界限分析装置，

所述同步定位装置，与所述扫描仪、所述倾角仪以及所述全站仪分别连接，用于以所述倾角仪产生的脉冲信号为同步信号，将所述二维姿态数据以及所述轨迹数据进行数据同步整合，生成定位信息；

所述三维空间信息重建装置，与所述同步定位装置以及所述扫描仪连接，用于基于所述点云数据集以及所述定位信息生成所述隧道的三维空间信息数据集；

所述数据处理装置，与所述三维空间信息重建装置连接，用于根据所述三维空间信息数据集对所述隧道进行形变分析；

所述界限分析装置，与所述扫描仪连接，用于将所述点云数据集去噪后拟合成圆，并确定所述圆的圆心坐标；若所述圆心坐标到所述扫描仪采集的隧道断面以及轨道断面数据的距离小于所述圆心坐标到预设限界轮廓的距离，则确定发生侵界现象。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述倾角仪，用于产生并向所述全站仪、所述扫描仪以及所述同步定位装置发送所述脉冲信号；且每产生一次脉冲信号，则记录一次当前的二维姿态数据；并将记录的二维姿态数据发送至所述同步定位装置；

所述全站仪，用于每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前的轨迹数据；并将记录的轨迹数据发送至所述同步定位装置；

所述同步定位装置，用于基于所述脉冲信号，将记录的轨迹数据以及记录的二维姿态数据合并，以生成所述定位信息。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述扫描仪，用于每接收到一次脉冲信号，则记录一次当前获取的点云数据集；并将记录的点云数据集发送至所述三维空间信息重建装置；

所述三维空间信息重建装置，用于将接收到的点云数据集与所述定位信息合并，以生成所述三维空间信息数据集。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述检测装置还包括：设置在一侧车轮上的固定顶紧结构与设置在另一侧车轮上的浮动顶紧结构，所述固定顶紧结构和所述浮动顶紧结构构成安全限位系统，用于防止所述检测装置脱轨。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述检测装置还包括：与所述车载平台连接的支撑架，

所述扫描仪安装在所述支撑架上，所述支撑架的高度能够进行调节。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述车载平台为“工”字型车载平台，包括两根长横梁以及连接两根长横梁中点的短横梁，所述支撑架安装在所述短横梁的中心处，所述倾角仪安装在所述车载平台前侧一长横梁的中心处。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述检测装置还包括：供电装置，

所述供电装置，与所述扫描仪、倾角仪、全站仪、微处理器以及分别连接，用于提供工作电压。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述棱镜与所述扫描仪刚性连接，所述棱镜为360度棱镜。

10.根据权利要求2-9中任意一项所述的系统，其特征在于，

所述二维姿态数据包括：所述检测装置的横滚角、俯仰角以及航向角；

所述轨迹数据包括：所述检测装置移动的路程；

所述定位信息为所述二维姿态数据以及所述轨迹数据合并后得到的信息。