CN108844522A - 一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法，属于土木工程技术领域。本发明提出基于绝对坐标下直接截取断面、以及在绝对坐标系下对断面点云进行空间圆拟合的方法，这样可以避免在断面转化过程中出现的误差。在绝对坐标系下断面截取是基于点到该平面的距离确定的，空间圆的拟合则是基于对断面点云进行空间圆球壳的拟合和空间平面的拟合结合而成，通过空间圆球壳方程和平面方程得到空间圆的圆心坐标，进而与设计值对比分析。

Description

一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法。

背景技术

近年来为解决城市化进程中带来的交通问题，各省市都加快以地铁、轻轨为主的快速、大运量、公共快捷的交通体系的建设和规划。地铁工程投资巨大，建设工期长，属于百年工程，其各个环节的质量要求都非常严格。盾构隧道作为地铁工程的重要组成部分，在盾构地铁隧道开挖、盾构管片安装、竣工过程中，必须进行隧道断面测量，对断面中心点位置进行确定，方能指导施工顺利进行，以及隧道竣工顺利验收。

传统的隧道断面测量主要使用全站仪或断面仪逐个断面、逐个测点进行测量，再将处理后的测量结果与设计值进行对比，检核隧道工程施工及竣工情况。在2017年发布的《盾构法隧道施工及验收规范》中规定：管片拼装过程中，需要逐环测量隧道中线平面位置和高程；在成型隧道验收过程中，需要每10环测量隧道中线平面位置和高程。盾构隧道施工和竣工过程中断面测量工作量大以及传统监测方法观测所需要的时间长，劳动强度高，观测精度受到观测条件的影响较多，自动化较差。因此需要一种高精度、高效率、智能化的测量方式。三维激光扫描技术精度高、测量速度快、并且对光线条件没有要求，即使在漆黑的隧道里依旧能正常工作，并且可以一次性快速、完整、全方位地采集隧道内部的数据，经处理后可以得到隧道任意环数的断面以及断面中线点的坐标。

目前诸多学者对三维激光扫描在隧道中的应用进行了大量的研究，但主要是针对隧道施工及运维过程中隧道的变形做了研究。针对隧道施工及竣工过程中断面以及断面中心的提取研究较少，并没有提出详细***的提取方法。本文提出一种适应于盾构隧道施工及竣工过程中断面中心提取的方法，提出基于在绝对坐标下对点云数据进行空间圆拟合的方法，快速准确的提取断面中心的三维坐标，用于和该断面中心的设计坐标对比分析，来指导施工和完成竣工验收。

发明内容

本发明旨在提供一种快速准确的提取盾构隧道断面中心三维坐标的方法，即一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法，用于指导盾构隧道施工和竣工验收。

为了达到上述目的，本发明旨在提出一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法，该方法包括以下步骤：

第一步：基于绝对坐标系下的点云数据的获取

为获取较为精确的点云数据，需合理的选取的测站间距和扫描分辨率。

在测站间距和扫描分辨率确定后，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。

三维激光扫描仪每次获取的点云数据都是以三维激光扫描仪中心为依据建立独立内部坐标系来获得点云坐标信息，对于多站点云数据只有通过各坐标系之间的精密转换，才能得到整个隧道统一点云坐标信息；隧道点云拼接一般基于标靶拼接，在相邻两站重叠区域布设多个标靶，并保证有三个以上非同一直线上的标靶位于两站之间的重叠区域。通过公共的标靶点参数转化完成整体点云的坐标***一；在整体点云坐标***一后，需要给标靶和测站点赋予用全站仪测量的绝对坐标，使整体点云数据处于绝对坐标系下。

第二步：基于双向投影法的隧道中轴线提取

在隧道的整体点云数据处于绝对坐标系下后，为了能够提取不同里程、不同环数的断面，需要提取表达隧道的姿态和走势的空间曲线，即隧道的中轴线。将隧道点云数据分别向XOY面和YOZ面投影提取各自的中轴线，将XOY面和YOZ面上的中轴线表达式联立，则表示的为该隧道在空间中的中轴线；

由于隧道管片壁不光滑或受附属设备的影响，将会导致投影后的隧道边界上存在很多噪声，故采用抗噪效果较好的随机采样一致性(RANSAC)算法和最小二乘法对有隧道中轴线进行提取。

第三步：基于绝对坐标下的隧道断面提取

将三维点云导入处理软件中，为了得到某一里程的断面，一般方法是将拟提取的断面按照中轴线的切向量旋转至垂直于某一坐标轴，但由于在旋转过中，点云数据的坐标就会发生变化，得到的断面中心的坐标就不能与设计断面的中心坐标进行对比(断面中心的设计坐标一般都是在绝对坐标系下的)，就不能指导施工和竣工验收。因此，本发明提出在基于绝对坐标下的点云数据上直接根据断面中轴线的切向量进行断面截取，得到在绝对坐标下的断面，这样就可以保证所截取断面是在绝对坐标下的，进而可以与设计坐标进行对比分析。

第四步：基于绝对坐标下的断面中心点拟合

得到在绝对坐标下的断面后，需要对该断面的中心点进行提取，以往采用的是把该断面转换成二维空间上的圆，对其进行拟合，这样必然与实际存在误差，并且无法与设计值进行比较。因此本发明提出在绝对坐标下对该断面点云进行空间圆的拟合方法，得到的该断面的中心点坐标。

空间圆形可以看成由一个空间球壳与一个平面相交而成，因此要对截取的断面点云进行空间圆球拟合和平面拟合，通过对断面点云数据进行变换处理和最小二乘平差来拟合空间圆形。

由空间圆球壳方程式和平面方程式求得空间圆的圆心坐标。空间圆的圆心坐标即是该断面所在绝对坐标下的中心点坐标，将该坐标与断面的设计坐标进行比较即可得在三个轴向上的差值ΔX、ΔY和ΔZ，进而与规范规定值进行比较，验证是否符合规范要求。

有益效果

本发明所述的这种方法可以基于绝对坐标下提取盾构隧道断面和断面中心点，可以用来指导盾构隧道施工和竣工验收。

1)算法的适用性。针对于盾构隧道隧道，将双向投影法应用于中轴线的提取，将点云数据基于绝对坐标进行了断面提取，将空间圆的拟合算法应用于断面中心点的提取，最终通过提取的断面中心点与高精度全站仪测量结果对比取得了较为满意的结果，从而验证了这些算法对于盾构隧道的适用性。

2)方法的优点。用扫描仪扫描约100m的隧道用时不到一小时，后期数据处理通过程序实现，而且可以得到任意里程点的断面和中心点坐标，较为简单方便，相比传统方法，本发明有高效率、高精度、智能化的优点。

附图说明：

图1：技术路线图；

图2：XOY面中轴线提取过程图；

(a)原始点云向XOY面投影、(b)XOY面边界点云提取、(c)边界点云曲线拟、(d)XOY面中轴线拟合；

图3：绝对坐标下断面提取过程图；

图4：空间球拟合示意图；

图5：空间圆拟合过程图；

(a)绝对坐标下提取的断面、(b)拟合的空间圆球壳、(c)拟合的平面、(d)截取断面与圆心。

图6：扫描仪与全站仪得到的中心线点差值对比图；

具体实施方式：

为了更了解本发明的技术内容，特以北京某盾构地铁隧道为实例并配合附图说明如下，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

第一步：基于绝对坐标系下的点云数据的获取

为获取较为精确的点云数据，需合理的选取的测站间距和扫描分辨率。

在测站间距和扫描分辨率确定后，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。

三维激光扫描仪每次获取的点云数据都是以仪器中心为依据建立独立内部坐标系来获得点云坐标信息，对于多站点云数据只有通过各坐标系之间的精密转换，才能得到整个隧道统一点云坐标信息。隧道点云拼接一般基于标靶拼接，在相邻两站重叠区域布设多个标靶，并保证有三个以上非同一直线上的标靶位于两站之间的重叠区域。通过公共的标靶点参数转化完成整体点云的坐标***一。在整体点云坐标***一后，需要给标靶和测站点赋予用高精度全站仪测量的绝对坐标，使整体点云数据处于绝对坐标系下。

实施例盾构隧道，半径2.7m，试验段长约为60m。测站间距约为12m，分辨率采用中等分辨率，共扫描5站，通过相邻两站布设的三个标靶进行拼接。拼接后通过标靶和测站点的绝对坐标将整体点云数据处于绝对坐标系下。

第二步：基于双向投影法的隧道中轴线提取

在隧道的整体点云数据处于绝对坐标系下后，为了能够提取不同里程、不同环数的断面，需要提取表达隧道的姿态和走势的空间曲线，即隧道的中轴线。将隧道点云数据分别向XOY面和YOZ面投影提取各自的中轴线，将XOY面和YOZ面上的中轴线表达式联立，则表示的为该隧道在空间中的中轴线。由于隧道管片壁不光滑或受附属设备的影响，将会导致投影后的隧道边界上存在很多噪声，故采用抗噪效果较好的随机采样一致性(RANSAC)算法和最小二乘法对有隧道中轴线进行提取。

将三维点云数据导入MATLAB，分别拟合XOY平面和YOZ平面的中轴线。详细过程如图2。

第三步：基于绝对坐标下的隧道断面提取

将三维点云导入处理软件中，为了得到某一里程的断面，一般方法是将拟提取的断面按照中轴线的切向量旋转至垂直于某一坐标轴，但由于在旋转过中，点云数据的坐标就会发生变化，得到的断面中心的坐标就不能与设计断面的中心坐标进行对比(断面中心的设计坐标一般都是在绝对坐标系下的)，就不能指导施工和竣工验收。因此，本设计提出在基于绝对坐标下的点云数据上直接根据断面所在位置处的中轴线切向量进行断面截取，这样就可以保证所截取断面是在绝对坐标下的，进而可以与设计坐标进行对比分析。

根据隧道中轴线提取断面，具体步骤为：

①通过提取的隧道中轴线，可以得到里程(环数)点P(Xi，Yi，Zi)处的切向量则通过里程(环数)点的法平面方程为：

a(x-Xi)+b(y-Yi)+c(z-Zi)＝0 (1)

②设置断面厚度2D(D可自由设定，不可取过于大，一般取0.005m或者0.0025m)，如果点到法平面的距离小于设定值D，则认为该点在截取断面上，即：

满足以上公式的点组成的集合即为点云数据在里程(环数)点P处的截取断面。图3为绝对坐标下断面提取过程图。

第四步：基于绝对坐标下的断面中心点拟合

得到在绝对坐标下的断面后，需要对该断面的中心点进行提取，以往采用的是把该断面转换成二维空间上的圆，对其进行拟合，这样必然与实际存在误差，并且无法与设计值进行比较。因此本设计提出在绝对坐标下对该断面点进行空间圆的拟合方法，得到的该断面的中心点坐标与该断面的设计中心点坐标对比即可。

空间圆形可以看成由一个空间球壳与一个平面相交而成，因此要对截取的断面点云进行空间圆球拟合和平面拟合。通过对数据进行变换处理和最小二乘平差来拟合空间圆形。

由截取断面的点云数据进行空间圆的拟合，得到空间圆的圆心坐标。具体步骤为：

①对第三步的步骤②截取的断面点云通过最小二乘平差进行空间圆球壳拟合(空间圆的圆心和圆球的球心并不一定重合)，空间圆球壳方程式为：

(x-A)²+(y-B)²+(z-C)²＝R² (3)

其中，点(A，B，C)为拟合球心坐标。

②对第三步的步骤②截取的断面点云通过最小二乘平差进行空间平面拟合，空间平面方程式为：

Dx+Ey+Fz+G＝0 (4)

联立方程(3)与(4)可求得空间圆的圆心坐标，拟合空间圆的圆心坐标即是该断面所在绝对坐标下的中心点坐标。将该坐标与断面的设计坐标进行比较即可得在三个轴向上的差值ΔX、ΔY和ΔZ，进而与规范规定值进行比较，验证是否符合规范要求。图4为空间球拟合示意图；图5为空间圆拟合过程图。

将通过以上过程对点云数据处理得到的断面中心点坐标与经高精度全站仪得到的断面中心点坐标对比，表1为中心线点坐标对比表；图6为扫描仪与全站仪得到的中心线点差值对比图。

表1中心线点坐标对比

单位：米

综上所述，本发明提出一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法，通过此方法得出的结果，可以对盾构隧道施工过程进行指导、对盾构隧道竣工进行验收。

Claims (4)

1.一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：基于绝对坐标系下的点云数据的获取

选取合理的的测站间距和扫描分辨率；在测站间距和扫描分辨率确定后，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；

扫描仪为三维激光扫描仪，三维激光扫描仪每次获取的点云数据都是以三维激光扫描仪中心为依据建立独立内部坐标系来获得点云坐标信息，对于多站点云数据只有通过各坐标系之间的精密转换，才能得到整个隧道统一点云坐标信息；隧道点云拼接一般基于标靶拼接，在相邻两站重叠区域布设多个标靶，并保证有三个以上非同一直线上的标靶位于两站之间的重叠区域；通过公共的标靶点参数转化完成整体点云的坐标***一；在整体点云坐标***一后，需要给测站和标靶赋予用全站仪测量的绝对坐标，使整体点云数据处于绝对坐标系下；

第二步：基于双向投影法的隧道中轴线提取

在隧道的整体点云数据处于绝对坐标系下后，为了提取不同里程、不同环数的断面，就需要提取表达隧道在空间中姿态和走势的空间曲线，即隧道的中轴线；通过将隧道点云数据分别向XOY面和YOZ面投影提取各自的中轴线，将XOY面和YOZ面上的中轴线表达式联立，则表示的为该隧道的中轴线；

第三步：基于绝对坐标下的隧道断面提取

将三维点云导入处理软件中，为了得到某一里程的断面，在基于绝对坐标下的点云数据上直接根据断面中轴线的切向量进行断面截取，得到在绝对坐标下的断面；

第四步：基于绝对坐标下的断面中心点拟合

得到在绝对坐标下的断面后，对该断面的中心点进行提取，在绝对坐标下对该断面点云进行空间圆的拟合，由空间圆球壳方程式和平面方程式求得空间圆的圆心坐标，空间圆的圆心坐标即是该断面所在绝对坐标下的中心点坐标。

2.按照权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法，其特征在于，第二步，由于隧道管片壁不光滑或受附属设备的影响，将会导致投影后的隧道边界上存在很多噪声，故采用抗噪效果较好的随机采样一致性(RANSAC)算法和最小二乘法对隧道中轴线进行提取。

3.按照权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法，其特征在于，所述第三步，具体步骤为：

①通过提取的隧道中轴线，可以得到里程点P(Xi，Yi，Zi)处的切向量则通过里程点的法平面方程为：

a(x-Xi)+b(y-Yi)+c(z-Zi)＝0 (1)

其中点(Xi，Yi，Zi)为点P的坐标，为中轴线在该点处的切向量；

②设置断面厚度2D，其中D的取值一般为0.005m或者0.0025m，如果点到法平面的距离小于设定值D，则认为该点在截取断面上，即：

满足以上公式的点组成的集合即为点云数据在里程点P处的截取断面。

4.按照权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的盾构隧道断面中心提取方法，其特征在于，所述第四步，具体步骤为：

①对第三步获取的断面点云通过最小二乘平差进行空间圆球壳拟合，空间圆球壳方程式为：

(x-A)²+(y-B)²+(z-C)²＝R² (3)

其中，点(A，B，C)为拟合球心坐标，R为拟合圆球的半径；

②对第三步获取的断面点云通过最小二乘平差进行空间平面拟合，空间平面方程式为：

Dx+Ey+Fz+G＝0 (4)

其中，D、E、F、G为平面方程的常数系数；

联立方程(3)与(4)可求得空间圆的圆心坐标，拟合空间圆的圆心坐标即是该断面所在绝对坐标下的中心点坐标。