CN113970291A - 一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，所述方法包括：使用三维激光扫描仪对地下洞室开挖围岩进行多次扫描，收集开挖岩壁的点云数据；对扫描获取的点云进行除噪、拼接、合并处理，建立地下洞室轮廓完整的点云数据；对处理后的点云数据进行模型重构处理，获得洞室开挖岩壁的真实的三维模型；以及采用积分方式获得围岩超欠挖量，即将洞室模型沿洞轴线离散成各个微小洞段，总超欠挖量等于所有微小洞段超欠挖量的累积和。本发明利用高精度扫描仪来快速测量地下洞室施工过程围岩超欠挖的方法，能够解决传统方法对洞室围岩超欠挖量的测量耗时耗力且精度低的问题。

Description

一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量 方法

技术领域

本发明属于洞室围岩开挖施工质量评价技术领域，涉及一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法。

背景技术

洞室围岩超欠挖指地下洞室在开挖过程中形成的围岩壁轮廓与设计开挖轮廓之间的偏差，实际开挖的断面在基准线以外的部分称为超挖，在基准线以内的部分称为欠挖。超欠挖的量值直接体现了洞室围岩开挖质量的好坏。

三维激光扫描技术又称为“实景复制技术”，是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术。它利用激光测距的原理，通过高速激光扫描测量的方法，高分辨率、阵列式快速获取物体表面各个点的坐标(x，y，z)、反射率、颜色(R，G，B)等信息，由这些大量、密集的点信息可快速复建出1:1的“实景复制”模型，为后续的内业处理、数据分析等工作提供准确依据。

已有的超欠挖量主要采用如下两种方式进行测量：

1)、通过每间隔一定间距选取一个检测断面，然后采用全站仪在该断面上获取一系列实际开挖岩壁的特征点，进而描绘出开挖断面轮廓，通过开挖断面轮廓与设计断面对比计算超欠挖的面积，将测得的超欠挖量乘以间距长度即近似认为是该段洞室围岩的超欠挖量，然后将所有洞段围岩超欠挖量累加即可求出整个洞室的超欠挖量。

2)、采用断面仪获取开挖断面的轮廓，然后计算该断面的超欠挖面积，之后采用与1)相同的方法计算整个洞室的超欠挖量。

但是，上述两种方法都是通过选取一定间距特征断面来近似计算洞室围岩超欠挖量的，需要花费大量时间来测量描绘检测断面，且测量结果受人为因素影响很大，难以精准获取洞室围岩的超欠挖量。

发明内容

本发明的目的在于，针对传统方法中对洞室围岩超欠挖量所存在的测量耗时耗力且精度低的问题，提供一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：所述基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法包括如下步骤：

步骤1、使用三维激光扫描仪对地下洞室开挖围岩进行多次扫描，收集开挖岩壁的点云数据；

步骤2、对扫描获取的点云进行除噪、拼接、合并等处理，建立地下洞室轮廓完整的点云数据；

步骤3、对处理后的点云数据进行模型重构处理，获得洞室开挖岩壁的真实的三维模型；

步骤4、采用积分方式获得围岩超欠挖量，即将洞室模型沿洞轴线离散成各个微小洞段，总超欠挖量等于所有微小洞段超欠挖量的累积和。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：步骤2中，采用点云处理软件对扫描获取的点云进行处理。

作为本发明的优选技术方案：步骤3中，采用Delaunay三角网建模法对处理后的点云数据进行模型重构处理。

作为本发明的优选技术方案：步骤4中，对于每一个微小洞段，其超欠挖量ΔV可以用下式计算：

ΔV＝ΔZ∑ΔS (1)

式中，ΔZ表示微小洞段的长度，ΔS表示微小洞段特征断面的超欠挖面积的微分；

其中：ΔS可用下式求解：

式中Δl₁、Δl₂分别表示洞室设计和实际开挖轮廓线的任意微小弧长；D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；

Δl₁、Δl₂可以用下式来求解

Δl₁＝R(θ)*Δθ，Δl₂＝(R(θ)+D(θ))*Δθ (3)

式中，R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值，为已知量；

式中，R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值；

则微小洞段特征断面的超欠挖面积S可以用下式来表示：

超欠挖量V可以进一步表示为：

因此，采用积分法即可求解超欠挖量：

式中，Z₀表示开挖洞室的长度，D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值。

作为本发明的优选技术方案：步骤4中，考虑到实际地下洞室的设计断面大多都不是标准圆形，尤其是实际开挖断面的轮廓线是凹凸不平的，因此D(θ)、R(θ)都是关于θ的非连续函数，且在实际计算过程中需要将超挖量、欠挖量分开来分别计算；为了降低计算难度，可以采用有限差分来代替微分，则超挖量V_超、欠挖量V_欠可以分别用下式来计算：

式中，Z₀表示开挖洞室的长度，D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值。

本发明提供一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，所述方法包括：使用三维激光扫描仪对地下洞室开挖围岩进行多次扫描，收集开挖岩壁的点云数据；对扫描获取的点云进行除噪、拼接、合并处理，建立地下洞室轮廓完整的点云数据；对处理后的点云数据进行模型重构处理，获得洞室开挖岩壁的真实的三维模型；以及采用积分方式获得围岩超欠挖量，即将洞室模型沿洞轴线离散成各个微小洞段，总超欠挖量等于所有微小洞段超欠挖量的累积和。本发明利用高精度扫描仪来快速测量地下洞室施工过程围岩超欠挖的方法，能够解决传统方法对洞室围岩超欠挖量的测量耗时耗力且精度低的问题。

附图说明

图1为洞室三维模型及微小洞段截取示意图。

图2为洞室断面超欠挖面积计算示意图。

图3为洞室围岩开挖轮廓三维模型。

图4为典型微小洞段开挖断面超欠挖面积计算结果示意图。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，包括如下步骤：

步骤1、使用三维激光扫描仪对地下洞室开挖围岩进行多次扫描，收集开挖岩壁的点云数据；

步骤2、采用点云处理软件对扫描获取的点云进行除噪、拼接、合并等处理，建立地下洞室轮廓完整的点云数据；

步骤3、采用Delaunay三角网建模法对处理后的点云数据进行模型重构处理，获得洞室开挖岩壁的真实的三维模型；

步骤4、采用积分方式获得围岩超欠挖量，即将洞室模型沿洞轴线离散成各个微小洞段，总超欠挖量等于所有微小洞段超欠挖量的累积和；

步骤4中，如图1所示，图1为洞室三维模型及微小洞段截取示意图。对于每一个微小洞段，其超欠挖量ΔV可以用下式计算：

ΔV＝ΔZ∑ΔS (1)

式中，ΔZ表示微小洞段的长度，ΔS表示微小洞段特征断面的超欠挖面积的微分；

其中：ΔS可用下式求解：

式中：Δl₁、Δl₂分别表示洞室设计和实际开挖轮廓线的任意微小弧长；D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；如图2所示，图2为洞室断面超欠挖面积计算示意图。

Δl₁、Δl₂可以用下式来求解

Δl₁＝R(θ)*Δθ，Δl₂＝(R(θ)+D(θ))*Δθ (3)

式中，R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值，为已知量；

则微小洞段特征断面的超欠挖面积S可以用下式来表示：

超欠挖量V可以进一步表示为：

因此，采用积分法即可求解超欠挖量：

式中，Z₀表示开挖洞室的长度，D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值。

考虑到实际地下洞室的设计断面大多都不是标准圆形，尤其是实际开挖断面的轮廓线是凹凸不平的，因此D(θ)、R(θ)都是关于θ的非连续函数，且在实际计算过程中需要将超挖量、欠挖量分开来分别计算；为了降低计算难度，可以采用有限差分来代替微分，则超挖量V_超、欠挖量V_欠可以分别用下式来计算：

式中，Z₀表示开挖洞室的长度，D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值。

具体地，结合如下实例对本发明详细描述。

(1)使用三维激光扫描仪分3站扫描获取某工程泄洪洞围岩开挖轮廓的三维点云数据。

(2)采用点云处理软件，对扫描获取的点云进行除噪、拼接、合并等处理，建立泄洪洞围岩开挖轮廓完整的点云数据。

(3)采用Delaunay三角网建模获得泄洪洞围岩开挖轮廓三维模型如图3所示，图3为洞室围岩开挖轮廓三维模型，由图可知计算洞段总长度Z₀＝15.3m。

(4)按步长ΔZ＝0.05m对洞室三维模型进行切片处理，得到510个微小洞段；

对于每一个微小洞段，采用公式(4)来分别计算其超挖、欠挖的面积；

分别将得到的超挖、欠挖面积乘以步长ΔZ，来分别获得各微小洞段的超挖、欠挖量；

如图4所示，图4为典型微小洞段开挖断面超欠挖面积计算结果示意图。最后将各微小洞段超挖、欠挖量累加，即获得计算洞段的超挖、欠挖量分别123.5m³、-3.8m³。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：所述基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法包括如下步骤：

步骤1、使用三维激光扫描仪对地下洞室开挖围岩进行多次扫描，收集开挖岩壁的点云数据；

步骤2、对扫描获取的点云进行除噪、拼接、合并处理，建立地下洞室轮廓完整的点云数据；

步骤3、对处理后的点云数据进行模型重构处理，获得洞室开挖岩壁的真实的三维模型；

步骤4、采用积分方式获得围岩超欠挖量，即将洞室模型沿洞轴线离散成各个微小洞段，总超欠挖量等于所有微小洞段超欠挖量的累积和。

2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：步骤2中，采用点云处理软件对扫描获取的点云进行处理。

3.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：步骤3中，采用Delaunay三角网建模法对处理后的点云数据进行模型重构处理。

4.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：步骤4中，对于每一个微小洞段，其超欠挖量ΔV可以用下式计算：

ΔV＝ΔZ∑ΔS (1)

式中，ΔZ表示微小洞段的长度，ΔS表示微小洞段特征断面的超欠挖面积的微分；

其中：ΔS可用下式求解：

式中Δl₁、Δl₂分别表示洞室设计和实际开挖轮廓线的任意微小弧长；D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；

Δl₁、Δl₂可以用下式来求解

Δl₁＝R(θ)*Δθ，Δl₂＝(R(θ)+D(θ))*Δθ (3)

式中，R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值；

则微小洞段特征断面的超欠挖面积S可以用下式来表示：

超欠挖量V可以进一步表示为：

因此，采用积分法即可求解超欠挖量：

式中，Z₀表示开挖洞室的长度，D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值。

5.根据权利要求4所述的基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：步骤4中，考虑到实际地下洞室的设计断面大多都不是标准圆形，尤其是实际开挖断面的轮廓线是凹凸不平的，因此D(θ)、R(θ)都是关于θ的非连续函数，且在实际计算过程中需要将超挖量、欠挖量分开来分别计算；为了降低计算难度，可以采用有限差分来代替微分，则超挖量V_超、欠挖量V_欠可以分别用下式来计算：

式中，Z₀表示开挖洞室的长度，D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值。

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