CN116304764B - 一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法，包括：将基于对隧道扫描所获得的原始检测数据整平处理，得到原始点云数据；将原始点云数据分别进行YOX平面和ZOX平面的投影，得到二维点云坐标和；以坐标最小值为起点值、最大值为终点值，基于步长对二维点云坐标和二维点云坐标进行分段，并对分段后的二维点进行集合，得到二维点集合、二维点集合以及二维点集合；分别对二维点集合、二维点集合和二维点集合直线拟合，得到直线方程集合；并对直线方程集各进行聚类；对二维点集合、二维点集合和二维点集合中相应点云进行拟合，分别得到拟合线方程、拟合线方程和拟合线方程；基于拟合线方程、拟合线方程和拟合线方程，获得隧道三维轴线方程。

Description

一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法
技术领域
本发明涉及传感器数据处理技术领域，尤其涉及一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法。
背景技术
施工中的隧道坍塌时有发生，为了预防隧道坍塌，需要掌握隧道围岩轮廓变化。现有使用较多的传统方法是使用全站仪或经纬仪，周期性人工测量布设在隧道轮廓上的标靶，通过这些标靶的位移来判断围岩轮廓变化。此类方法测量点位较少，无法反应隧道围岩轮廓整体变化，且测量周期太长，所以诞生了部分使用地面固定式三维激光扫描仪进行隧道断面轮廓扫描监测的方法。
但扫描监测方法还需要布设控制标靶和测量控制点等步骤，将多期扫描数据转化到同一坐标系下才能进行多期数据比较(如CN111911236B一种多断面隧道自动监控量测方法、CN 106930784B基于三维激光扫描的隧道监控方法、CN 105756711 A基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法)，该步骤增加了现场测量的工作量，也无法自动监测。因此很多学者提出了不借助共同标靶的前提下，通过拟合隧道点云数据的中轴线，将两期点云数据平移至同一坐标系下进行监测的方法。
已有很多基于固定式三维激光扫描仪的已完工隧道(运营隧道)点云数据轴线拟合方法。而施工隧道点云数据结构复杂，完整性较差，难以用现有隧道点云轴线拟合方法进行轴线拟合，目前还没有公开的基于激光雷达隧道点云数据的轴线拟合方法或者施工隧道的点云数据的轴线拟合方法。
相较于固定式三维激光扫描仪，固态激光雷达获取的隧道点云数据视场角较小、点密度不均匀、重复性扫描等特性，再加上施工隧道环境恶劣、施工工序复杂、现场施工人员较多且行动路线随机等因素，使得激光雷达施工隧道点云数据轴线拟合难度高，现有轴线拟合方法均无法较好地应用于固态激光雷达点云与施工隧道点云的轴线拟合情况。
发明内容
本发明提供了一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法，包括以下步骤：
步骤一、将三维激光扫描仪的扫描起始方向或激光雷达的镜头朝向方向设为坐标系的X轴方向，并与隧道行车方向相对设置，三维激光扫描仪或激光雷达扫描以获得原始检测数据；将原始检测数据整平处理，得到原始点云数据D；
步骤二、将原始点云数据D进行YOX平面的投影，得到二维点云坐标DY；将原始点云数据D进行ZOX平面的投影，得到二维点云坐标DZ；
步骤三、以X坐标最小值Xmin为起点值、最大值Xmax为终点值，基于步长λ1对二维点云坐标DY和二维点云坐标DZ进行分段，得到N个的Y坐标最大的二维点、Y坐标最小的二维点以及Z坐标最大的二维点，再分别将N个的Y坐标最大的二维点、Y坐标最小的二维点以及Z坐标最大的二维点进行集合，得到二维点云坐标DY各个段落的Y坐标最大的二维点集合DY-Ymax、获得二维点云坐标DY各个段落的Y坐标最小的二维点集合DY-Ymin以及获得二维点云坐标DZ各个段落的Z坐标最大的二维点集合DZ-Zmax；所述N取大于等于1的自然整数；
步骤四、分别对二维点集合DY-Ymax、二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax通过最小二乘方法进行直线拟合，得到直线方程集合；并对直线方程集合进行聚类；
步骤五、基于聚类后的直线方程集合对二维点集合DY-Ymax、二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax中相应点云进行拟合，分别得到拟合线方程f(x)Y-Ymax、拟合线方程f(x)Y-Ymin和拟合线方程f(x)Z-Zmax；
步骤六、基于拟合线方程f(x)Y-Ymax、拟合线方程f(x)Y-Ymin和拟合线方程f(x)Z-Zmax，获得隧道三维轴线方程。
可选的，所述步骤四中得到直线方程集合的具体过程如下：
S4.1、设隧道轴线为圆曲线、单个隧道扫描点云轴向长度为S、该扫描区域的轴线圆心角为θ；
S4.2、以步长λ2对二维点集合DY-Ymax在X轴方向进行分段，得到n段二维点云；
S4.3、依次对每段二维点云通过最小二乘方法进行直线拟合，得到直线方程集合LY-Ymax:{l1,l2,...,ln}。
可选的，所述步长λ2的计算公式如下：
其中：n为二维点集合DY-Ymax在X轴方向进行分段的段数，n取大于等于1的自然数。
可选的，所述步骤四中通过直线间夹角关系对直线方程集合进行聚类，得到的聚类直线集合；其聚类步骤方式如下：
若相邻直线角度差值绝对值小于则将其分为一类；如此将n段直线方程聚类为m类直线集合，其中：m取大于等于1的自然整数；
求取m类直线簇内直线平均斜率间的夹角α，将m类直线间夹角小于θ的进行保留，得到聚类直线集合LY-Ymax2，其中：LY-Ymax2相邻直线夹角
分别在二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax中计算得到聚类直线集合LY-Ymin2和LZ-Zmax2，以获得的聚类直线集合即为隧道连续边界的点云分段拟合得到的直线集合。
可选的，所述步骤五得到拟合线方程f(x)Y-Ymax、f(x)Y-Ymin和f(x)Z-Zmax的具体过程如下：
S5.1、设由几何关系得到距离仪器10m处三倍测距误差的点的圆心角度θ作为阈值t；
S5.2、判断该隧道段落的线型类型：若LY-Ymax2中直线角度差值最大值超过阈值t，则判断该隧道段落为曲线；若LY-Ymax2中直线角度差值最大值未超过阈值t，则判断该隧道段落为直线；
S5.3、基于该隧道段落的线型类型对其进行拟合线方程的计算：若为曲线时，对LY-Ymax2中对应段落的DY-Ymax中的点云进行多项式曲线拟合；若为直线时，则进行最小二乘法直线拟合；获得拟合线方程f(x)Y-Ymax；
S5.4、再通过步骤S5.2和S5.3分别对二维点云集合DY-Ymin和二维点云集合DZ-Zmax中相应点云进行拟合，得到拟合线方程f(x)Y-Ymin和拟合线方程f(x)Z-Zmax。
可选的，所述步骤六中获得隧道三维轴线方程的具体过程如下：
S6.1、将拟合线方程f(x)Y-Ymax进行顺时针旋转arctan[f′(0)Y-Ymax]，得到旋转后拟合线方程f(x)Y-Ymax-T；将拟合线方程f(x)Y-Ymin顺时针旋转arctan[f′(0)Y-Ymin]，得到旋转后拟合线方程f(x)Y-Ymin-T；其中：f′(0)Y-Ymax表示为f(x)Y-Ymax的导函数f′(x)Y-Ymax在x＝0处的值，f′(0)Y-Ymin表示为f(x)Y-Ymin的导函数f′(x)Y-Ymin在x＝0处的值；
S6.2、判断仪器在隧道的具***置并根据仪器在隧道的不同位置拟合得到隧道水平轴线方程f(x)Y：
S6.3、由f(x)Z＝f(x)Z-Zmax-Dh计算得到隧道竖直轴线方程，其中：Dh为隧道设计要素中隧道顶至隧道轴线的高度；
S6.4、获得隧道三维轴线方程
可选的，当f(0)Y-Ymax-T和f(0)Y-Ymin-T的绝对值之差在范围内，则判断仪器在隧道中间位置；此时，隧道水平轴线方程f(x)Y的计算方式如下：
通过计算拟合线方程f(x)Y-Ymax过(i,f(i)Y-Ymax)处的切线的垂线、计算该垂线与f(x)Y-Ymin的交点集合PY、以f(i)Y-Ymax和PY的对应点的均值作为拟合点，拟合得到隧道水平轴线方程f(x)Y；
其中：d为隧道宽度。
可选的，当f(0)Y-Ymax-T和f(0)Y-Ymin-T的绝对值之差在范围内，则判断仪器非常靠近隧道壁或本身就在隧道壁上；此时，隧道水平轴线方程f(x)Y的计算方式如下：
若|f(0)Y-Ymax-T|＞|f(0)Y-Ymin-T|，则根据将f(x)Y-Ymax以f(x)Y-Ymax各点切线的垂直方向向f(x)Y-Ymin方向移动半个隧道宽度得到隧道水平轴线方程：
若|f(0)Y-Ymax-T|＜|f(0)Y-Ymin-T|，则根据将f(x)Y-Ymin以f(x)Y-Ymin各点切线的垂直方向向f(x)Y-Ymax方向移动半个隧道宽度得到隧道水平轴线方程：
其中：d为隧道宽度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对现有隧道拟合方法进一步改进，加入了分段拟合线聚类、隧道轴线自动曲直线分类、通过自动判断仪器方位进行轴线方程分类计算等步骤，进行隧道轴线自动拟合，解决了因为施工隧道环境复杂、激光雷达点云重复、激光雷达点云视场角小等原因造成扫描点云无法用现有隧道轴线拟合方法直接进行自动拟合的问题。该方法是使用低成本激光雷达用于环境恶劣的施工隧道自动监测时不可或缺的一环。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本实施例中一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法的整体流程示意图；
图2是图1中将原始点云数据D分别在YOX平面和ZOX平面进行投影得到的最大值点、最小值点示意图；
图3是图1中设隧道轴线为圆曲线时隧道扫描区域轴线的圆心角示意图(图中O表示为轴线圆心)；
图4是图1中二维点集合DZ-Zmax最大值点集分段拟合直线示意图；
图5是应用本实施例中一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法得到的直线聚类结果示意图；
图6是应用本实施例中一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法得到的隧道边线拟合示意图；
图7(a)是应用本实施例中一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法的施工隧道点云侧视图投影轴线拟合前的示意图；
图7(b)是应用本实施例中一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法的施工隧道点云侧视图投影轴线拟合后的示意图；
图7(c)是应用本实施例中一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法的施工隧道点云俯视图投影轴线拟合前的示意图；
图7(d)是应用本实施例中一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法的施工隧道点云俯视图投影轴线拟合后的示意图；
图8是应用本实施例中一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法进行施工隧道点云数据超欠挖计算结果示例。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本实施例：
参见图1所示，本发明所提供的一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法，基于三维激光扫描仪或激光雷达所检测的数据进行隧道点云中轴线自动拟合，具体步骤包括以下：
步骤一、在扫描隧道时，使仪器主方向(仪器主方向即为三维激光扫描仪的扫描起始方向或激光雷达的镜头朝向方向)朝向隧道行车方向(即使仪器主方向与隧道行车方向夹角应小于90°)，进行扫描，获得原始检测数据；将原始检测数据整平处理，得到原始点云数据D。此处优选：仪器主方向设为仪器坐标系的X轴方向。
步骤二、将原始点云数据D分别在YOX平面和ZOX平面进行投影(即分别进行俯视图和侧视图投影)，得到相应的二维点云坐标DY和二维点云坐标DZ。
步骤三、以X坐标最小值Xmin为起点值、最大值Xmax为终点值，基于步长λ1对二维点云坐标DY和二维点云坐标DZ进行分段，得到N(N取大于等于1的自然整数)个Y坐标最大的二维点、N个Y坐标最小的二维点以及N个Z坐标最大的二维点，将N个Y坐标最大的二维点进行集合，获得二维点云坐标DY各个段落的Y坐标最大的二维点集合DY-Ymax；将N个Y坐标最小的二维点进行集合，获得二维点云坐标DY各个段落的Y坐标最小的二维点集合DY-Ymin；将N个Z坐标最大的二维点进行集合，获得二维点云坐标DZ各个段落的Z坐标最大的二维点集合DZ-Zmax。此处优选：所述步长λ1优先选取为0.1m。最大值点集和最小值点集示意图参见图2，点云投影非连续区域在图中由凹陷来表示。
步骤四、分别对二维点集合DY-Ymax、二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax通过最小二乘方法进行直线拟合，得到直线方程集合，并对直线方程集各进行聚类。其具体过程如下：
S4.1、设隧道轴线为圆曲线(施工隧道的线型可能为直线、缓和曲线和圆曲线，其中隧道为圆曲线时曲率最大，因此，本实施例中以隧道轴线为圆曲线为例)、单个设备的隧道扫描点云轴向长度为S、该扫描区域的轴线圆心角为θ，则θ的计算公式如式1)所示：
其中：r为轴线圆半径，隧道扫描点云首尾处切线夹角等于该扫描区域的轴线圆心角θ。
S4.2、以步长λ2对二维点云坐标DY各个段落的Y坐标最大的二维点集合DY-Ymax在X轴方向进行分段，以分成n(n取大于等于1的自然数)段。设n＝4，则步长λ2的计算公式如式2)所示：
S4.3、依次对第1段二维点云、第2段二维点云、第3段二维点云、第4段二维点云通过最小二乘方法进行直线拟合，得到直线方程集合LY-Ymax:{l1,l2,l3,l4}。
由上可知，该扫描区域隧道范围内连续区域的任意拟合直线夹角必不会大于θ，且相邻的直线夹角必不会大于
S4.4、通过直线间夹角关系对直线方程集合进行聚类，获得的聚类直线集合；其聚类方式具体如下：
①若相邻直线角度差值绝对值小于则分为一类，如此将4段直线方程聚类为m(m取大于等于1的自然整数)类直线集合；
②求取m类直线簇内直线平均斜率间的夹角α，将m类直线间夹角小于θ的进行保留，得到聚类直线集合LY-Ymax2，见图5，得到最终聚类结果LY-Ymax2:{l2,l4}，其中l2,l4夹角保证了l2,l4直线所在区域的最大值点集不存在非连续区域。
③再分别在二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax中分别计算得到聚类直线集合LY-Ymin2和LZ-Zmax2。如此获得的聚类直线集合即为隧道连续边界的点云分段拟合得到的直线集合。
步骤五、对二维点集合DY-Ymax、二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax中相应点云进行拟合，分别得到拟合线方程f(x)Y-Ymax、拟合线方程f(x)Y-Ymin和拟合线方程f(x)Z-Zmax；具体过程如下：
S5.1、设由几何关系得到距离仪器10m处三倍测距误差的点的圆心角度θ作为阈值t，t由
式3)计算：
其中：e为仪器10m处标称测距误差。
S5.2、判断该隧道段落的线型类型：若LY-Ymax2中直线角度差值最大值超过阈值t，则判断该隧道段落为曲线；若LY-Ymax2中直线角度差值最大值未超过阈值t，则判断该隧道段落为直线；
S5.3、基于该隧道段落的线型类型对其进行拟合线方程的计算：若为曲线时，对LY-Ymax2中对应段落的DY-Ymax中的点云进行多项式曲线拟合；若为直线时，则进行最小二乘法直线拟合；获得拟合线方程f(x)Y-Ymax，参见图6所示。
S5.4、再通过步骤S5.2和S5.3分别对二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax中相应点云进行拟合，得到拟合线方程f(x)Y-Ymin和拟合线方程f(x)Z-Zmax。
步骤六、根据几何关系分类计算轴线方向，具体过程如下：
S6.1、将拟合线方程f(x)Y-Ymax进行顺时针旋转arctan[f′(0)Y-Ymax]，得到旋转后拟合线方程f(x)Y-Ymax-T；将拟合线方程f(x)Y-Ymin顺时针旋转arctan[f′(0)Y-Ymin]，得到旋转后拟合线方程f(x)Y-Ymin-T。其中：f′(0)Y-Ymax表示为f(x)Y-Ymax的导函数f′(x)Y-Ymax在x＝0处的值，f′(0)Y-Ymin表示为f(x)Y-Ymin的导函数f′(x)Y-Ymin在x＝0处的值。
S6.2、判断仪器在隧道的具***置并根据仪器在隧道的不同位置拟合得到隧道轴线方程：
若f(0)Y-Ymax-T和f(0)Y-Ymin-T的绝对值之差在范围内，则判断仪器在隧道中间位置，此时隧道两侧边点云数量均较多且隧道侧边轮廓完整，此类点云均可以用于轴线计算；具体计算步骤如下：
Ⅰ、计算拟合线方程f(x)Y-Ymax过(i,f(i)Y-Ymax)处的切线的垂线；
Ⅱ、计算该垂线与f(x)Y-Ymin的交点集合PY；
Ⅲ、以f(i)Y-Ymax和PY的对应点的均值作为拟合点，拟合得到隧道水平轴线方程f(x)Y；
其中：f(0)Y-Ymax-T为f(x)Y-Ymax-T在x＝0处的值，f(0)Y-Ymin-T为f(x)Y-Ymin-T在x＝0处的值，d为隧道宽度，f(i)Y-Ymax为f(x)Y-Ymax在x＝i处的值，i＝0,0.1,0.2,...S。
若f(0)Y-Ymax-T和f(0)Y-Ymin-T的绝对值之差在范围内，则判断仪器非常靠近隧道壁或本身就在隧道壁上，此时隧道单侧边点云数量均较多且隧道侧边轮廓完整，此类点云均可以用于轴线计算；具体计算步骤：
ⅰ、若|f(0)Y-Ymax-T|＞|f(0)Y-Ymin-T|，则根据几何关系(即将f(x)Y-Ymax以f(x)Y-Ymax各点切线的垂直方向向f(x)Y-Ymin方向移动半个隧道宽度)得到隧道水平轴线方程：
ⅱ、若|f(0)Y-Ymax-T|＜|f(0)Y-Ymin-T|，则根据几何关系(即将f(x)Y-Ymin以f(x)Y-Ymin各点切线的垂直方向向f(x)Y-Ymax方向移动半个隧道宽度)得到隧道水平轴线方程：
S6.3、由f(x)Z＝f(x)Z-Zmax-Dh计算得到隧道竖直轴线方程，其中：Dh为隧道设计要素中隧道顶至隧道轴线的高度，d为隧道宽度；
S6.4、获得隧道三维轴线方程
分别用本发明所提供的一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法对两期激光雷达施工隧道点云数据进行轴线拟合，如图7(a)-图7(d)中所示拟合出的隧道轴线，可以看出隧道点云投影边界不连续、不平滑，现有隧道轴线拟合方法可以较好拟合出轴线。
如图8为施工隧道点云数据三维监测计算结果，可以看出该方法拟合效果较好，可以有效拟合出非平滑隧道轴线，可以用于计算隧道三维超欠挖值。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将三维激光扫描仪的扫描起始方向或激光雷达的镜头朝向方向设为坐标系的X轴方向，并与隧道行车方向相对设置，三维激光扫描仪或激光雷达扫描以获得原始检测数据；将原始检测数据整平处理，得到原始点云数据D；
步骤二、将原始点云数据D进行YOX平面的投影，得到二维点云坐标DY；将原始点云数据D进行ZOX平面的投影，得到二维点云坐标DZ；
步骤三、以X坐标最小值Xmin为起点值、最大值Xmax为终点值，基于步长λ1对二维点云坐标DY和二维点云坐标DZ进行分段，得到N个Y坐标最大的二维点、N个Y坐标最小的二维点以及N个Z坐标最大的二维点，再分别将N个Y坐标最大的二维点、N个Y坐标最小的二维点以及N个Z坐标最大的二维点进行集合，得到二维点云坐标DY各个段落的Y坐标最大的二维点集合DY-Ymax、获得二维点云坐标DY各个段落的Y坐标最小的二维点集合DY-Ymin以及获得二维点云坐标DZ各个段落的Z坐标最大的二维点集合DZ-Zmax；所述N取大于等于1的自然整数；
步骤四、分别对二维点集合DY-Ymax、二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax通过最小二乘方法进行直线拟合，得到直线方程集合；并对直线方程集合进行聚类；
步骤五、基于聚类后的直线方程集合对二维点集合DY-Ymax、二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax中相应点云进行拟合，分别得到拟合线方程f(x)Y-Ymax、拟合线方程f(x)Y-Ymin和拟合线方程f(x)Z-Zmax；
步骤六、基于拟合线方程f(x)Y-Ymax、拟合线方程f(x)Y-Ymin和拟合线方程f(x)Z-Zmax，获得隧道三维轴线方程。
2.根据权利要求1所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，所述步骤四中得到直线方程集合的具体过程如下：
S4.1、设隧道轴线为圆曲线、单个隧道扫描点云轴向长度为S、该扫描区域的轴线圆心角为θ；
S4.2、以步长λ2对二维点集合DY-Ymax在X轴方向进行分段，得到n段二维点云；
S4.3、依次对每段二维点云通过最小二乘方法进行直线拟合，得到直线方程集合LY-Ymax:{l1,l2,...,ln}。
3.根据权利要求2所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，所述步长λ2的计算公式如下：
其中：n为二维点集合DY-Ymax在X轴方向进行分段的段数，n取大于等于1的自然数。
4.根据权利要求2所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，所述步骤四中通过直线间夹角关系对直线方程集合进行聚类，得到的聚类直线集合；其聚类步骤方式如下：
若相邻直线角度差值绝对值小于则将其分为一类；如此将n段直线方程聚类为m类直线集合，其中：m取大于等于1的自然整数；
求取m类直线簇内直线平均斜率间的夹角α，将m类直线间夹角小于θ的进行保留，得到聚类直线集合LY-Ymax2，其中：LY-Ymax2相邻直线夹角
分别在二维点集合DY-Ymin和二维点集合DZ-Zmax中计算得到聚类直线集合LY-Ymin2和LZ-Zmax2，以获得的聚类直线集合即为隧道连续边界的点云分段拟合得到的直线集合。
5.根据权利要求4所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，所述步骤五得到拟合线方程f(x)Y-Ymax、f(x)Y-Ymin和f(x)Z-Zmax的具体过程如下：
S5.1、设由几何关系得到距离仪器10m处三倍测距误差的点的圆心角度θ作为阈值t；
S5.2、判断该隧道段落的线型类型：若LY-Ymax2中直线角度差值最大值超过阈值t，则判断该隧道段落为曲线；若LY-Ymax2中直线角度差值最大值未超过阈值t，则判断该隧道段落为直线；
S5.3、基于该隧道段落的线型类型对其进行拟合线方程的计算：若为曲线时，对LY-Ymax2中对应段落的DY-Ymax中的点云进行多项式曲线拟合；若为直线时，则进行最小二乘法直线拟合；获得拟合线方程f(x)Y-Ymax；
S5.4、再通过步骤S5.2和S5.3分别对二维点云集合DY-Ymin和二维点云集合DZ-Zmax中相应点云进行拟合，得到拟合线方程f(x)Y-Ymin和拟合线方程f(x)Z-Zmax。
6.根据权利要求5所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，所述步骤六中获得隧道三维轴线方程的具体过程如下：
S6.1、将拟合线方程f(x)Y-Ymax进行顺时针旋转arctan[f′(0)Y-Ymax]，得到旋转后拟合线方程f(x)Y-Ymax-T；将拟合线方程f(x)Y-Ymin顺时针旋转arctan[f′(0)Y-Ymin]，得到旋转后拟合线方程f(x)Y-Ymin-T；其中：f′(0)Y-Ymax表示为f(x)Y-Ymax的导函数f′(x)Y-Ymax在x＝0处的值，f′(0)Y-Ymin表示为f(x)Y-Ymin的导函数f′(x)Y-Ymin在x＝0处的值；
S6.2、判断仪器在隧道的具***置并根据仪器在隧道的不同位置拟合得到隧道水平轴线方程f(x)Y：
S6.3、由f(x)Z＝f(x)Z-Zmax-Dh计算得到隧道竖直轴线方程，其中：Dh为隧道设计要素中隧道顶至隧道轴线的高度；
S6.4、获得隧道三维轴线方程
7.根据权利要求6所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，当f(0)Y-Ymax-T和f(0)Y-Ymin-T的绝对值之差在范围内，则判断仪器在隧道中间位置；此时，隧道水平轴线方程f(x)Y的计算方式如下：
通过计算拟合线方程f(x)Y-Ymax过(i,f(i)Y-Ymax)处的切线的垂线、计算该垂线与f(x)Y-Ymin的交点集合PY、以f(i)Y-Ymax和PY的对应点的均值作为拟合点，拟合得到隧道水平轴线方程f(x)Y；
其中：d为隧道宽度。
8.根据权利要求6所述的施工隧道点云中轴线自动拟合方法，其特征在于，当f(0)Y-Ymax-T和f(0)Y-Ymin-T的绝对值之差在范围内，则判断仪器非常靠近隧道壁或本身就在隧道壁上；此时，隧道水平轴线方程f(x)Y的计算方式如下：
若|f(0)Y-Ymax-T|＞|f(0)Y-Ymin-T|，则根据将f(x)Y-Ymax以f(x)Y-Ymax各点切线的垂直方向向f(x)Y-Ymin方向移动半个隧道宽度得到隧道水平轴线方程：
若|f(0)Y-Ymax-T|＜|f(0)Y-Ymin-T|，则根据将f(x)Y-Ymin以f(x)Y-Ymin各点切线的垂直方向向f(x)Y-Ymax方向移动半个隧道宽度得到隧道水平轴线方程：
其中：d为隧道宽度。
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