CN109166168B - 一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法，所述的隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法包括采集隧道衬砌结构表观影像数据，包括步骤：S1、利用隧道快速检测车采集隧道衬砌结构、断面轮廓、行车姿态数据。S2、利用隧道内轮廓、行车轨迹数据反演隧道三维轴线。S3、基于隧道衬砌表观图像数据构建隧道衬砌结构二维展布图。S4、利用隧道三维轴线DTA和隧道内轮廓数据，将隧道二维展布图进行三维空间映射，构建隧道衬砌结构三维展布图。

Description

一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法

技术领域

本发明涉及一种运营隧道衬砌结构的三维展布图构建，特别是公开一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法，应用于隧道工程领域。

背景技术

随着BIM技术深入隧道工程应用领域，对于已运营的隧道三维模型如何构建的问题，部分学者开展了相关的探索性研究工作。

2017年李明博等人通过对Revit的二次开发，基于BIM模型并将病害位置信息由平面数据转化为空间数据，实现隧道病害的三维可视化。2017年沙培洲等人通过对BIM建模软件的二次开发，提高了隧道设计三维模型的建模效率。2005年钟登华等人基于设计资料，采用三维可视化技术，实现了公路隧道的三维建模与可视化表达。2016年王静等人提出了一种基于非均匀有理B样条Nurbs的公路隧道三维建模方法，增强了隧道三维建模的适应性、扩展性和灵活性。

此外，利用三维激光扫描技术进行结构环境重构亦是目前的研究热点。但对于高精度的隧道三维建模，三维激光扫描速度较慢，例如隧道纵向建模精度要求为2mm，选用目前比较先进的德国Der Z+Fprofiler 9012三维扫描仪，设备采集参数设定为200HZ、10240点/圈，其实际采集时速不能超过1.5km/h，单位公里隧道三维采集点数约为512亿个，此采集时速对于已隧道，须长时间进行封道作业，并且采集数据量巨大，管理维护困难，故采用三维激光扫描技术对已隧道进行三维环境重构，实际操作困难，大规模应用不现实。

综上可知，如何基于图像构建隧道三维影像模型的研究较少，多数为基于设计资料按照数学方法进行拟合构建，为设计的理想隧道模型，这与隧道实际环境状况是有出入的，难以满足隧道管理需求。因此，如何高精度、真实地构建隧道衬砌结构三维影像模型是值得研究的工程问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种隧道衬砌结构的三维展布图构建方法，能快速准确地构建隧道衬砌结构的三维展布图模型，为隧道运营管理提供三维基础模型。

本发明是这样实现的：一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法，其特征在于隧道衬砌结构表观影像的快速采集，所述的三维展布图快速构建方法还包括以下步骤：

S1、利用隧道快速检测车采集隧道衬砌结构、断面轮廓、行车姿态数据。

所述步骤S1的具体操作如下：

（1）隧道快速检测车采集设备包括三维激光扫描仪、面阵工业相机阵列、捷联式惯导***、编码器、红外补光灯、图像采集卡和工控机，

（2）通过隧道快速检测车的三维激光扫描仪采集隧道内轮廓数据，

（3）通过隧道快速检测车的面阵工业相机阵列采集隧道衬砌结构表观图像，为确保隧道衬砌结构图像全覆盖，图像环向和纵向之间预留重叠区域，

（4）通过隧道快速检测车的捷联式惯导***采集检测车行车姿实时数据，检测车行车姿实时数据包括加速度、角加速度和姿态角，

（5）通过隧道快速检测车的编码器采集检测车行驶里程数据。

S2、利用隧道内轮廓、行车轨迹数据反演隧道三维轴线。

所述步骤S2的具体操作如下：

（1）利用捷联式惯导***采集的轨迹数据通过四元数法、龙格库塔法和坐标转换矩阵，可获得载体任意时刻t的空间点坐标P（x_tb，y_tb，z_tb），

（2）利用贝塞尔曲线拟合方法对各时刻的点P_i进行曲线拟合，形成一条空间运动轨迹曲线C_u，

（3）基于隧道路面结构特征并利用隧道内轮廓激光扫描数据可获取隧道路面中点M（x_m，y_m，z_m），

（4）利用载体的重心O（x_m，y_m，z_m）、隧道路面中点M构建平移向量

，其中a=x_m-x₀、b=y_m-y₀、c=z_m-z₀，

（5）利用平移向量

对运动轨迹曲线C_u进行平移，即可获得隧道三维轴线DTA。

S3、基于隧道衬砌表观图像数据构建隧道衬砌结构二维展布图。

所述步骤S3的具体操作如下：

（1）利用环向重叠度D_h对i（i≠1）号相机采集的图像进行环向裁剪，裁剪的方向为像素坐标系的X轴方向，环向裁剪后的图像记为P_ih。

（2）利用纵向重叠度D_z对各相机环向裁剪后的图像P_ih进行纵向裁剪，裁剪的方向为像素坐标系的Y轴方向，纵向裁剪后的图像记为P_ihz。

（3）依次对每个相机裁剪处理后的图像P_ihz进行纵向拼接，以生成一系列的单相机纵向展布图，记为SL_iz。

（4）以1号相机的展布图SL_1z为基准，分别计算与i（i≠1）号相机展布图的缩放系数C_iz，计算方法为：

C_iz=SL_iz列数/SL_1z列数 （5）

（5）利用缩放系数C_iz对i（i≠1）相机的展布图SL_iz进行缩放，缩放后的展布图记为SL'_iz。

（6）依据相机编号i顺序依次对各相机的展布图SL'_iz进行环向拼接，最终形成隧道衬砌结构完整的二维展布图SL。

S4、利用隧道三维轴线DTA和隧道内轮廓数据，将隧道二维展布图进行三维空间映射，构建隧道衬砌结构三维展布图。

所述步骤S4的具体操作如下：

（1）对隧道三维轴线DTA进行等距离L_S离散，离散点集记为P'，并获得每个离散点处的局部坐标系，离散点集P'的局部坐标系集记为C。

（2）依次遍历点集P'，计算每个离散点P'_i距隧道三维轴线DTA起点的曲线距离，该距离即为对应的隧道里程K_i，利用里程K_i于二维展布图中提取相应列的图像信息，记为I_i。

（3）提取离散点P'_i处的局部坐标系C_i，并将三维激光扫描的隧道二维轮廓按坐标系C_i进行坐标转换，即可得到离散点P'_i处的实际隧道轮廓断面，轮廓断面记为S_i。

（4）如图3所示，获取列图像信息I_i的元素个数N，每个元素即为一个图像像素点，并对隧道轮廓断面S_i进行距离N等份划分，逐个遍历各N等份的等分点，即可获得等分点的空间坐标值P'_ij及相应图像信息I_ij，P'_ij和I_ij即可描述一个空间像素点。

（5）重复上述（2）~（4）步骤，可将整座隧道的二维展布图映射成三维空间像素点，即获得隧道衬砌结构三维展布图。

本发明的有益效果是：

（1）本发明是基于高速面阵CCD相机可实现快速采集隧道衬砌结构表观信息，相比三维激光扫描技术，其信息量更大，适用性更强；

（2）本发明是基于编码器、捷联式惯导***及激光扫描技术可反算出隧道三维轴线，利用隧道三维轴线、二维展布图和轮廓断面可构建隧道三维展布图，算法思路清晰；

（3）本发明解决了隧道三维影像模型快速建模的问题，技术方案完整且易于编程实现。

附图说明

图1 是本发明方法的隧道衬砌结构二维展布图生成流程图。

图2 是本发明方法的隧道衬砌结构二维展布图。

图3 是本发明方法的隧道衬砌结构二维展布图空间映射示意图。

图中：1、隧道二维展布图； 2、隧道轮廓断面； 3、像素映射路径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

根据附图1，本发明是一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法，所述隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法包括以下步骤S1～S4：

S1、利用隧道快速检测车采集隧道衬砌结构、断面轮廓、行车姿态数据。

所述步骤S1的具体操作如下：

（1）隧道快速检测车可采用上海同岩土木工程科技股份有限公司的TDV-H2000隧道快速检测车，该检测车的采集设备包括三维激光扫描仪、面阵工业相机、捷联式惯导***、编码器、激光测距仪、红外补光灯、图像采集卡和工控机.

（2）通过隧道快速检测车的三维激光扫描仪采集隧道内轮廓数据。

（3）通过隧道快速检测车的面阵工业相机阵列采集隧道衬砌结构表观图像，为确保隧道衬砌结构图像全覆盖，图像环向和纵向之间预留重叠区域。

（4）通过隧道快速检测车的捷联式惯导***采集检测车行车轨迹实时数据，姿态数据包括加速度、角加速度、姿态角，其中加速度包括X向加速度a_x、Y向加速度a_y、Z向加速度a_z，角加速度包括X向角加速度α_x、Y向角加速度α_y、Z向角加速度α_z，姿态角包括航向角φ、俯仰角θ、横滚角γ。

（5）通过隧道快速检测车的编码器采集检测车行驶里程数据。

S2、利用隧道内轮廓、行车轨迹数据反演隧道三维轴线。

所述步骤S2的具体操作如下：

（1）本方法以机体坐标系（简称b系，X_bY_bZ_b轴）为计算基准，机体坐标系与载体（检测车）固连，原点在载体的重心，X_b轴指向载体的右侧，Y_b轴指向载体的纵轴方向，Z_b轴指向载体的数轴方向。

（2）利用捷联式惯导***采集的轨迹数据通过四元数法、龙格库塔法和坐标转换矩阵，可获得载体任意时刻t的空间点坐标P（x_tb，y_tb，z_tb）。

四元数的基本形式为：

（1）

其中为q₀标量，q为矢量；i，j，k与载体坐标系的基相一致。

四元数姿态矩阵：

（2）

其中为（x_b，y_b，z_b）为机体坐标系坐标，（x_n，y_n，z_n）为导航坐标系坐标。

载体坐标系与导航坐标系之间的转换矩阵：

（3）

其中

为航向角、θ为俯仰角、γ为横滚角。

（3）利用贝塞尔曲线拟合方法对各时刻的点P_i进行曲线拟合，形成一条空间运动轨迹曲线C_u。

（4）基于隧道路面结构特征并利用隧道内轮廓激光扫描数据可获取隧道路面中点M（x_m，y_m，z_m）。

（5）利用载体的重心O（x_m，y_m，z_m）、隧道路面中点M构建平移向量

，其中a=x_m-x₀、b=y_m-y₀、c=z_m-z₀。

（6）利用平移向量

对运动轨迹曲线C_u进行平移，即可获得隧道三维轴线DTA。

曲线平移方法如下：

（4）

式中：O（x，y，z）为载体起始点坐标，

为平移向量。

S3、基于隧道衬砌表观图像数据构建隧道衬砌结构二维展布图。

所述步骤S3的具体操作如下：

（1）利用环向重叠度D_h对i（i≠1）号相机采集的图像进行环向裁剪，裁剪的方向为像素坐标系的X轴方向，环向裁剪后的图像记为P_ih。

图像裁剪操作可直接调用Opencv函数colRange实现，colRange函数如下：

inline Mat colRange(int startcol, int endcol) const;

（2）利用纵向重叠度D_z对各相机环向裁剪后的图像P_ih进行纵向裁剪，裁剪的方向为像素坐标系的Y轴方向，纵向裁剪后的图像记为P_ihz。

（3）依次对每个相机裁剪处理后的图像P_ihz进行纵向拼接，以生成一系列的单相机纵向展布图，记为SL_iz。

（4）以1号相机的展布图SL_1z为基准，分别计算与i（i≠1）号相机展布图的缩放系数C_iz，计算方法为：

C_iz=SL_iz列数/SL_1z列数 （5）

（5）利用缩放系数C_iz对i（i≠1）相机的展布图SL_iz进行缩放，缩放后的展布图记为SL'_iz。

（6）依据相机编号i顺序依次对各相机的展布图SL'_iz进行环向拼接，最终形成隧道衬砌结构完整的二维展布图SL，如图2所示。

S4、利用隧道三维轴线DTA和隧道内轮廓数据，将隧道二维展布图进行三维空间映射，构建隧道衬砌结构三维展布图。

所述步骤S4的具体操作如下：

（1）对隧道三维轴线DTA进行等距离L_S离散，L_S的取值由模型精度确定，可取0.001米，离散点集记为P'，并获得每个离散点处的局部坐标系，离散点集P'的局部坐标系集记为C。

（2）依次遍历离散点集P'，计算每个离散点P'_i距隧道三维轴线DTA起点的曲线距离，该距离即为对应的隧道里程K_i，利用里程K_i于二维展布图中提取相应列的图像信息，记为I_i。

（3）提取离散点P'_i处的局部坐标系C_i，并将三维激光扫描的隧道二维轮廓按坐标系C_i进行坐标转换，即可得到离散点P'_i处的实际隧道轮廓断面，轮廓断面记为S_i。

（4）如图3所示，获取列图像信息I_i的元素个数N，每个元素即为一个图像像素点，并对隧道轮廓断面S_i进行距离N等份划分，逐个遍历各N等份的等分点，即可获得等分点的空间坐标值P'_ij及相应图像信息I_ij，P'_ij和I_ij即可描述一个空间像素点。

单个空间像素点数据结构：

struct Point3D

{

double dX; //X坐标

double dY; //Y坐标

double dZ; //Z坐标

int nGray; //点像素灰度值

};

（5）重复上述（2）~（4）步骤，可将整座隧道的二维展布图映射成三维空间像素点，即获得隧道衬砌结构三维展布图。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明的权利要求书所要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法，所述的隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法包括采集隧道衬砌结构表观影像数据，其特征在于：所述的三维展布图构建方法还包括以下步骤：

S1、利用隧道快速检测车采集隧道衬砌结构、断面轮廓、行车姿态数据，

S2、利用隧道内轮廓、行车轨迹数据反演隧道三维轴线，

S3、基于隧道衬砌表观图像数据构建隧道衬砌结构二维展布图，

S4、利用隧道三维轴线DTA和隧道内轮廓数据，将隧道二维展布图进行三维空间映射，构建隧道衬砌结构三维展布图，

所述步骤S4的具体操作如下：

（1）对隧道三维轴线DTA进行等距离L_S离散，离散点集记为P'，并获得每个离散点处的局部坐标系，离散点集P'的局部坐标系集记为C，

（2）依次遍历点集P'，计算每个离散点P'_i距隧道三维轴线DTA起点的曲线距离，该距离为对应的隧道里程K_i，利用里程K_i于二维展布图中提取相应列的图像信息，记为I_i，

（3）提取离散点P'_i处的局部坐标系C_i，并将三维激光扫描的隧道二维轮廓按坐标系C_i进行坐标转换，得到离散点P'_i处的实际隧道轮廓断面，轮廓断面记为S_i，

（4）获取列图像信息I_i的元素个数N，每个元素为一个图像像素点，并对隧道轮廓断面S_i进行距离N等份划分，逐个遍历各N等份的等分点，获得等分点的空间坐标值P'_ij及相应图像信息I_ij，P'_ij和I_ij用于描述一个空间像素点，

（5）重复上述（2）~（4）步骤，将整座隧道的二维展布图映射成三维空间像素点，获得隧道衬砌结构三维展布图。

2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法，其特征在于，所述步骤S1的具体操作如下：

（1）隧道快速检测车采集设备包括三维激光扫描仪、面阵工业相机阵列、捷联式惯导***、编码器、红外补光灯、图像采集卡和工控机；

（2）隧道快速检测车采集的数据包括隧道内轮廓数据、隧道衬砌结构表观图像、检测车行车姿态实时数据和检测车行驶里程数据，

所述的隧道内轮廓数据是通过隧道快速检测车的三维激光扫描仪采集的，所述的隧道衬砌结构表观图像是通过隧道快速检测车的面阵工业相机阵列采集的，为确保隧道衬砌结构图像全覆盖，所述隧道衬砌结构表观图像采集时在环向和纵向之间预留重叠区域，所述的检测车行车姿态实时数据通过隧道快速检测车的捷联式惯导***采集的，所述的检测车行车姿态实时数据包括加速度、角加速度和姿态角，所述的检测车行驶里程数据是通过隧道快速检测车的编码器采集的。

3.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法，其特征在于，所述步骤S2的具体操作如下：

（1）利用捷联式惯导***采集的轨迹数据通过四元数法、龙格库塔法和坐标转换矩阵，获得载体任意时刻t的空间点坐标P（x_tb，y_tb，z_tb），

（2）利用贝塞尔曲线拟合方法对各时刻的点P_i进行曲线拟合，形成一条空间运动轨迹曲线C_u，

（3）基于隧道路面结构特征并利用隧道内轮廓激光扫描数据获取隧道路面中点M（x_m，y_m，z_m），

（4）利用载体的重心O（x_m，y_m，z_m）、隧道路面中点M构建平移向量

，其中a=x_m-x₀、b=y_m-y₀、c=z_m-z₀，

（5）利用平移向量

对运动轨迹曲线C_u进行平移，获得隧道三维轴线DTA。

4.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌结构的三维展布图快速构建方法，其特征在于，所述步骤S3的具体操作如下：

（1）利用环向重叠度D_h对i号相机采集的图像进行环向裁剪，裁剪的方向为像素坐标系的X轴方向，环向裁剪后的图像记为P_ih，其中i≠1，

（2）利用纵向重叠度D_z对各相机环向裁剪后的图像P_ih进行纵向裁剪，裁剪的方向为像素坐标系的Y轴方向，纵向裁剪后的图像记为P_ihz，

（3）依次对每个相机裁剪处理后的图像P_ihz进行纵向拼接，以生成一系列的单相机纵向展布图，记为SL_iz，

（4）以1号相机的展布图SL_1z为基准，分别计算与i号相机展布图的缩放系数C_iz，其中i≠1，计算方法为：

C_iz=SL_iz列数/SL_1z列数，

（5）利用缩放系数C_iz对i相机的展布图SL _iz进行缩放，缩放后的展布图记为SL'_iz，其中i≠1，

（6）依据相机编号i顺序依次对各相机的展布图SL'_iz进行环向拼接，最终形成隧道衬砌结构完整的二维展布图SL。

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