CN117788574A - 一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，包括以下步骤：确定深埋隧道围岩变形分析洞段，利用地面三维激光扫描***获取洞段在不同时间的深埋隧道点云；建立不同时间深埋隧道点云的简化坐标变换关系；通过两步法计算简化后坐标变换矩阵的独立未知分量；计算深埋隧道点云的局部法向量，并定义计算点云的投影圆柱，得到不同时间隧道点云在投影圆柱的点云子集，基于所述点云子集分别对应的平均投影中心之间的几何距离得到计算点云的变形，从而得到所有计算点云的变形大小。本发明解决了不同时间的深埋隧道点云对齐，以及不同时间深埋隧道点云的三维变形计算的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及深埋隧道围岩变形分析技术领域，尤其涉及一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法。
背景技术
由于三维激光扫描技术具有扫描速度快、扫描精度高、非接触式且不受扫描环境等特点，使其在深埋隧道围岩变形监控量测与预警方面具有广泛的应用。处于深部地层的隧道围岩的变形具有随时间不断增长的特性，无法提供恒定的参考坐标系，也无法借助外部参考点，而不同时间隧道点云对齐是深埋隧道点云变形分析的前提，这使不同时间的隧道围岩点云对齐问题成为了深埋隧道围岩变形分析的难点问题之一。此外，当前隧道围岩点云变形方法主要侧重于通过平面内隧道实际轮廓点云与设计轮廓的比较，通过计算隧道实际轮廓点至截面中心的距离，并考虑设计截面尺寸大小，从而得到二维轮廓上各个点的变形，该方法主要适用于圆形或椭圆形断面隧道，或通过自截面中心(或拟合中心)指向计算点射线计算两个不同时间的隧道二维轮廓点云的差异，这两类方法仅适用于圆形或椭圆形断面的隧道，如申请号为202310030488.1的专利文献中公开一种基于激光点云分割的马蹄形山岭隧道变形检测方法及***；另一方面，采用隧道二维截面轮廓的比较得到的围岩特征仅能间接地反映围岩横截面的二维变形，而无法全面反映隧道围岩真实的三维变形特征。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，旨在解决不同时间的深埋隧道点云对齐，以及不同时间深埋隧道点云的三维变形计算的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其中，所述基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法包括以下步骤：
S1、确定深埋隧道围岩变形分析洞段，利用地面三维激光扫描***获取洞段在不同时间的深埋隧道点云；
S2、建立不同时间深埋隧道点云的简化坐标变换关系；
S3、通过两步法计算简化后坐标变换矩阵的独立未知分量；
S4、计算深埋隧道点云的局部法向量，并定义计算点云的投影圆柱，得到不同时间隧道点云在投影圆柱的点云子集，基于所述点云子集分别对应的平均投影中心之间的几何距离得到计算点云的变形，从而得到所有计算点云的变形大小。
优选方案之一，所述步骤S2之前，包括：将所述深埋隧道点云进行第一次坐标变换，具体为：
建立深埋隧道点云变形分析的全局坐标系；
计算深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴的夹角，得到坐标旋转矩阵，进行坐标旋转变换，使深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴方向一致；所述坐标旋转矩阵，具体为：
其中，α为深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴的夹角，(X,Y,Z)为坐标旋转变换前的深埋隧道点云坐标，(Xnew,Ynew,Znew)为坐标旋转变换后的深埋隧道点云坐标。
优选方案之一，所述将深埋隧道点云进行第一次坐标变换之后，包括：
对深埋隧道点云进行滤波处理，得到隧道轮廓点云和非轮廓点云；
基于所述隧道轮廓点云进行第二次坐标变换，得到坐标变换矩阵，使不同时间的深埋隧道点云处于同一坐标系内；所述坐标变换矩阵为：
其中，(xg,yg,zg)为坐标变换后的隧道轮廓点云坐标，为坐标旋转矩阵，(xs,ys,zs)为坐标变换前的隧道轮廓点云坐标，rij为坐标旋转矩阵的旋转分量，(tx,ty,tz)为沿全局坐标系X，Y，Z轴方向的平移分量。
优选方案之一，所述简化坐标变换关系为：
其中，θz为绕全局坐标系中Z轴的旋转角。
优选方案之一，所述步骤S3通过两步法计算简化后坐标变换矩阵的独立未知分量，具体为：
S31、采用ICP算法对齐不同时间深埋隧道点云的名义轴线，得到简化坐标变换矩阵绕Z轴的旋转分量以及沿X、Y轴的平移分量；
S32、对隧道顶拱进行拟合并匹配不同时间的拟合中心，得到沿Z轴的平移分量。
优选方案之一，所述步骤S31，具体为：
沿全局坐标系Y轴正向将深埋隧道点云划分为若干等厚度的薄片状分段点云，根据深埋隧道分段点云在XOY平面投影，计算沿全局坐标系X轴方向的中点，结合深埋隧道分段点云的纵向位置，定义深埋隧道名义轴线上的点集(xi,yi)；
设置迭代阈值，采用ICP算法对齐深埋隧道点云在不同时间的深埋隧道名义轴线上的点集(xi,yi)，计算绕Z轴的旋转分量θz和沿X，Y轴的平移分量tx，ty。
优选方案之一，所述步骤S32，具体为：
采用椭圆拟合法确定不同时间同一截面的拟合中心；
基于多个截面点云拟合计算沿Z轴的平移分量tz；所述平移分量tz为：
其中，tz为沿Z轴的平移分量，N为截面点云数量，czf,i为参考点云中第i个截面的拟合中心的坐标分量z，czm,i为比较点云中第i个截面的拟合中心的坐标分量z。
优选方案之一，所述步骤S4计算深埋隧道点云的局部法向量，具体为：
选定两个不同时间的同一洞段且处于统一坐标系下的深埋隧道点云，将扫描时间在前的定义为参考点云，扫描时间在后的定义为比较点云；
计算参考点云以每个点为中心，法向尺度D的1/2为半径的球形邻域内的点集，通过平面拟合的方式得到对应平面方程，以平面法向作为参考点云中每个点对应的局部法向量N，并进行局部法向量N方向的判定。
优选方案之一，所述步骤S4之后，还包括：
获取反映参考点云中任意一点i的局部粗糙度的置信区间；
基于所述局部粗糙度的置信区间，对深埋隧道围岩变形的真实性进行判断。
优选方案之一，所述步骤S4之后，还包括：
基于深埋隧道围岩在不同时间的深埋隧道点云变形结果，获取深埋隧道围岩的变形特征，进行结果可视化；所述深埋隧道点云的可视化包括深埋隧道围岩任一点在不同时间的变形历程曲线、深埋隧道围岩任一截面的变形特征及演化过程、深埋隧道围岩的空间变形分布特征及演化过程。
本发明的上述技术方案中，该基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法包括以下步骤：确定深埋隧道围岩变形分析洞段，利用地面三维激光扫描***获取洞段在不同时间的深埋隧道点云；建立不同时间深埋隧道点云的简化坐标变换关系；通过两步法计算简化后坐标变换矩阵的独立未知分量；计算深埋隧道点云的局部法向量，并定义计算点云的投影圆柱，得到不同时间隧道点云在投影圆柱的点云子集，基于所述点云子集分别对应的平均投影中心之间的几何距离得到计算点云的变形，从而得到所有计算点云的变形大小。本发明解决了不同时间的深埋隧道点云对齐，以及不同时间深埋隧道点云的三维变形计算的技术问题。
在本发明中，通过第一次坐标变换使深埋隧道点云与全局坐标系Y轴方向一致，通过第二次坐标变换将处于同一坐标系的深埋隧道点云用于深埋隧道变形分析，从而建立不同时间隧道点云的坐标变换矩阵，使深埋隧道点云变形分析处于恒定且统一的参考坐标系。
在本发明中，由于深埋隧道内含有大量的固定于围岩表面的辅助设施以及活动的施工人员和机械等，扫描过程中不可避免的遮挡隧道围岩的部分区域，导致对应点云缺失以及围岩轮廓表面凹凸不平特征等干扰，通过计算反映参考点云局部粗糙度的置信度区间，并判断深埋隧道围岩变形的真实性，从而排除了干扰因素对深埋隧道点云变形的影响。
在本发明中，通过将深埋隧道围岩在不同时段内的变形计算结果进行可视化，实现了对隧道围岩截面及空间变形分布进行更直观的显示。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法的示意图；
图2为本发明实施例利用地面三维激光扫描***获取的深埋隧道点云；
图3为本发明实施例深埋隧道分段原始点云识别结果；
图4为本发明实施例深埋隧道分段轮廓点云识别结果；
图5为本发明实施例深埋隧道轮廓点云识别结果；
图6为本发明实施例参考点云与比较点云隧道名义轴线对齐示意图；
图7为本发明实施例不同时间深埋隧道分段点云椭圆拟合结果示意图；
图8为本发明实施例深埋隧道围岩某一点的变形历程曲线；
图9为本发明实施例深埋隧道围岩横截面变形图；
图10为本发明实施例深埋隧道围岩三维空间变形分布图；
图11为本发明实施例深埋隧道围岩三维空间变形的平面映射结果示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参见图1-图11，根据本发明的一方面，本发明提供一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其中，所述基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法包括以下步骤：
S1、确定深埋隧道围岩变形分析洞段，利用地面三维激光扫描***获取洞段在不同时间的深埋隧道点云；
S2、建立不同时间深埋隧道点云的简化坐标变换关系；
S3、通过两步法计算简化后坐标变换矩阵的独立未知分量；
S4、计算深埋隧道点云的局部法向量，并定义计算点云的投影圆柱，得到不同时间隧道点云在投影圆柱的点云子集，基于所述点云子集分别对应的平均投影中心之间的几何距离得到计算点云的变形，从而得到所有计算点云的变形大小。
具体地，在本实施例中，所述步骤S1利用地面三维激光扫描***获取洞段在不同时间的深埋隧道点云之前，还包括：将地面三维激光扫描***获取的专用点云格式转换为通用点云格式，在保证深埋隧道点云变形精度的条件下，对深埋点云进行均匀化采样，从而降低原始深埋隧道点云的密度，以提高深埋隧道点云变形分析的计算效率；所述地面三维激光扫描***采用常规三维激光扫描***即可，本发明不进行具体限定。
具体地，在本实施例中，所述步骤S2之前，包括：将所述深埋隧道点云进行第一次坐标变换，具体为：
建立深埋隧道点云变形分析的全局坐标系；
计算深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴的夹角，得到坐标旋转矩阵，进行坐标旋转变换，使深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴方向一致；所述坐标旋转矩阵，具体为：
其中，α为深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴的夹角，(X,Y,Z)为坐标旋转变换前的深埋隧道点云坐标，(Xnew,Ynew,Znew)为坐标旋转变换后的深埋隧道点云坐标。
具体地，在本实施例中，所述将深埋隧道点云进行第一次坐标变换之后，包括：
对深埋隧道点云进行滤波处理，得到隧道轮廓点云和非轮廓点云；由于地面三维激光扫描***获取的深埋隧道点云不可避免的包含隧道围岩内部的辅助设备以及活动的施工人员、机械等，而隧道点云变形的分析对象是隧道轮廓点云，因而在对深埋隧道点云进行变形分析前，需对采集的深埋隧道点云进行滤波处理，区分隧道轮廓点云和非轮廓点云；
基于所述隧道轮廓点云进行第二次坐标变换，得到简化坐标变换矩阵，使不同时间的深埋隧道点云处于同一坐标系内；确保不同时间的深埋隧道点云处于同一坐标系内是深埋隧道变形分析的前提；所述坐标变换矩阵包括坐标旋转矩阵和平移向量两部分组成，其中，所述坐标旋转矩阵由三个旋转分量和三个平移分量组成，共6个独立分量；当借助于GPS实现坐标定位或借助于恒定不变的参考对象时，独立分量可以完全确定，但深埋隧道不同于地表或空中获取的激光点云，其难以通过GPS得到全局坐标系，同时，深埋隧道围岩在长期使用阶段，不可避免的产生较大的变形，因而处于深部以下的隧道围岩无法提供恒定的参考坐标系；本发明通过对不同时间的隧道点云进行坐标变换，提供了恒定的参考坐标系；所述坐标变换矩阵为：
其中，(xg,yg,zg)为坐标变换后的隧道轮廓点云坐标，为坐标旋转矩阵，(xs,ys,zs)为坐标变换前的隧道轮廓点云坐标，rij为坐标旋转矩阵的旋转分量，(tx,ty,tz)为沿全局坐标系X，Y，Z轴方向的平移分量。
具体地，在本实施例中，所述深埋隧道点云是地面三维激光扫描***的激光扫描仪在水平状态下获取的，同时，激光扫描仪具有双轴实时补偿功能，可修正一定范围的水平偏差，此外，用于深埋隧道点云变形分析的对象时以三维激光扫描仪为中心的一定半径范围内的深埋隧道点云，因此，可以认定用于隧道变形分析的点云是地面三维激光扫描***在完全水平状态下获得的，其精度符合深埋隧道点云变形分析的精度，从而将坐标变换矩阵进行变换得到简化坐标变换矩阵；所述简化坐标变换关系为：
其中，θz为绕全局坐标系中Z轴的旋转角。
具体地，在本实施例中，所述步骤S3通过两步法计算简化后坐标变换矩阵的独立未知分量，具体为：
S31、采用ICP算法对齐不同时间深埋隧道点云的名义轴线，得到简化坐标变换矩阵绕Z轴的旋转分量以及沿X、Y轴的平移分量；具体为：
沿全局坐标系Y轴正向将深埋隧道点云划分为若干等厚度的薄片状分段点云，根据深埋隧道分段点云在XOY平面投影，计算沿全局坐标系X轴方向的中点，结合深埋隧道分段点云的纵向位置，定义深埋隧道名义轴线上的点集(xi,yi)；
设置迭代阈值，采用ICP算法对齐深埋隧道点云在不同时间的深埋隧道名义轴线上的点集(xi,yi)，计算绕Z轴的旋转分量θz和沿X，Y轴的平移分量tx，ty；考虑到深埋隧道点云表面的不规则特性，单次计算精度并不能完全满足隧道变形分析的要求，因此，通过迭代的方式进行计算，直至不同时间深埋隧道名义轴线在XOY平面内的投影点的对齐满足需求的精度；其中，通过迭代计算得到的坐标旋转矩阵R＝Rn+1...R2R1；
XOY平面内的坐标平移矢量T'为：其中，n为迭代的次数，T'为坐标平移矢量；
根据迭代计算得到的坐标旋转矩阵和坐标平移矢量，最终得到坐标变换矩阵C'，所述坐标变换矩阵C'为：
在本发明中，所述迭代阈值可设置为2或3即可满足精度要求，本发明不进行具体限定，具体可根据需要进行设定；对不同时间的深埋隧道点云进行坐标变换，得到深埋隧道名义轴线对齐后的点云X'new＝C'Xold；
S32、对隧道顶拱进行拟合并匹配不同时间的拟合中心，得到沿Z轴的平移分量；具体为：
采用椭圆拟合法确定不同时间同一截面的拟合中心；衬砌后的隧道顶拱变形表现为沿与临空面垂直的方向变形，并指向界面上半部分的中心，衬砌后的隧道围岩可近似地认为是均匀变形，故可假定衬砌后的隧道围岩在顶拱部位的截面中心保持不变，采用椭圆拟合法确定不同时间段内同一截面的拟合中心，假定其中心保持不变，从而可用于计算简化坐标变换矩阵中的平移分量tz；
基于多个截面点云拟合计算沿Z轴的平移分量tz；考虑到深埋隧道围岩表面凹凸特性与变形的非均质性，采用多个截面的拟合计算沿Z轴的平移分量tz，并将其平均值作为最终的平移分量tz；所述平移分量tz为：
其中，tz为沿Z轴的平移分量，N为截面点云数量，czf,i为参考点云中第i个截面的拟合中心的坐标分量z，czm,i为比较点云中第i个截面的拟合中心的坐标分量z；坐标平移矢量T为：
坐标变换矩阵C为：
具体地，在本实施例中，通过步骤S3可得到不同时间深埋隧道点云之间的坐标变换矩阵，从而将其对其到统一的全局坐标系中，由于点云变形计算涉及到空间坐标系下海量点云之前的比较，同时，考虑到深埋隧道的特殊性，其点云变形计算与其他类型的工程存在一定的差异，因此本发明建立了专用深埋隧道点云变形的检测方法，通过深埋隧道点云的几何特征计算其局部法向量，并通过直接计算深埋隧道点云之间的差异实现深埋隧道点云的变形检测。
具体地，在本实施例中，所述步骤S4计算深埋隧道点云的局部法向量，具体为：
选定两个不同时间的同一洞段且处于统一坐标系下的深埋隧道点云，将扫描时间在前的定义为参考点云，扫描时间在后的定义为比较点云；
计算参考点云以每个点为中心，法向尺度D的1/2为半径的球形邻域内的点集，通过平面拟合的方式得到对应平面方程，以平面法向作为参考点云中每个点对应的局部法向量N，并进行局部法向量N方向的判定；
为了便于进行隧道围岩变形的判定与分析，使隧道设计轮廓计算点的局部法向量指向隧道临空面，建立以隧道中心线为参照的隧道局部法向量的判定方法；所述进行局部法向量N方向的判定，具体为：以隧道界面中心为对称面，将隧道截面内的所有计算点划分为左、右两个区域；对于隧道截面中心线右侧区域，当隧道设计轮廓计算点的局部法向量N与X轴正向的夹角为钝角时，局部法向量为负；对于隧道截面中心线左侧区域，当隧道设计轮廓计算点的局部法向量N与X轴正向的夹角为锐角时，局部法向量为正；通过该方法调整隧道设计轮廓所有计算点的局部法向量方向，使其指向隧道临空面。
具体地，在本实施例中，所述步骤S4中定义计算点云的投影圆柱，得到不同时间隧道点云在投影圆柱的点云子集，具体为：以过计算点i的局部法向量N为中心轴线，投影尺寸d为直径，长度为L定义属于计算点i的投影圆柱，分别计算参考点云与比较点云中属于计算点i对应投影圆柱内的点云子集，并将其分别记为M(i)、N(i)；其中，所述计算点i为参考点云任一当前计算点。
具体地，在本实施例中，所述步骤S4中基于所述点云子集分别对应的平均投影中心的几何距离得到计算点云的变形，从而得到所有计算点云的变形大小，具体为：分别计算点i对应投影圆柱的点云子集M(i)、N(i)的每一点沿其局部法向量N的投影，从而得到参考点云与比较点云分别对应于计算点i的平均投影中心m(i)、n(i)；计算点i对应的参考点云的平均投影中心m(i)至比较点云的平均投影中心n(i)的代数距离L(i)，L(i)即为点i对应的变形大小；当代数距离L(i)的方向与点i对应的局部法向量一致时，变形为正，反之，变形为负；重复上述步骤，即可得到参考点云中所有计算点对应的变形大小。
具体地，在本实施例中，由于深埋隧道内含有大量的固定于围岩表面的辅助设备以及活动的施工人员、机械等，扫描过程这些对应不可避免的将遮挡隧道围岩的部分区域，导致这些区域对应的点云将出现缺失，此外，深埋隧道围岩的大变形导致围岩轮廓表面具有明显的凹凸不平特征，这些对计算的点云变形具有一定的干扰；为了考虑这些因素对深埋隧道围岩变形的影响，所述步骤S4之后，还包括：获取反映参考点云中任一点i的局部粗糙度的置信区间；所述局部粗糙度的置信区间为：
其中，CI95％(i)为点i的局部粗糙度置信区间，σ1(i)、σ2(i)分别为计算点i对应的投影圆柱内分别属于参考点云与比较点云的点云子集计算的局部点云粗糙度的标准差，标准差σ1(i)、σ2(i)分别通过点i的投影圆柱对应的点云子集M(i)、N(i)中每一点与平均投影中心m(i)、n(i)沿点i的局部法向量的方向绝对距离分布进行计算，n1、n2分别为参考点云与比较点云对应点云子集内点的数量；
基于所述局部粗糙度置信区间，对深埋隧道围岩变形的真实性进行判断；为了反映统计学特性要求，n1、n2均应大于或等于4，故投影圆柱的直径d应大于点云平均间隔的1.5倍，若点i对应的参考点云的相应区域的点云出现缺失，则n2等于0，此时不会计算对应的变形；根据所述局部粗糙度置信水平的大小，对深埋隧道围岩变形的真实性进行判断，具体为：若计算点i对应的变形绝对值小于该点对应的局部粗糙度置信水平CI95％(i)，则表示计算的变形难以与反映深埋围岩表面形貌的粗糙度区分开来，换而言之，只有当计算点i对应的变形绝对值大于点i对应的局部粗糙度置信水平的绝对值，点i的变形则为深埋隧道围岩的真实变形；本发明通过获取深埋隧道点云的局部粗糙度置信水平判断深埋隧道围岩变形的真实性，考虑了深埋隧道围岩表面形貌特征与点云局部缺失的特性，从而更加客观真实地反映了深埋隧道围岩的真实变形。
具体地，在本实施例中，所述步骤S4之后，还包括：基于深埋隧道围岩在不同时间的深埋隧道点云变形结果，获取深埋隧道围岩的变形特征，进行结果可视化；所述深埋隧道点云的可视化包括深埋隧道围岩任一点在不同时间的变形历程曲线、深埋隧道围岩任一截面的变形特征及演化过程、深埋隧道围岩的空间变形分布特征及演化过程；对于深埋隧道某一点地变形历程曲线，由于待求点不一定与深埋隧道围岩点云存在一一对应地关系，因而，通过待求点最近的变形及其变化来反应其变形及其变化特征，为此，采用k近邻算法搜索与待寻点空间上距离最近的点，得到待求点最近的及其变形，据此反应待求点的变形，通过深埋隧道围岩点云在多个不同时段变形的计算结果，利用最近点搜索方法可求得待求点的变形历程曲线；深埋隧道围岩截面的变形通常是指与隧道延伸方向垂直的截面变形，也即全局坐标系Y轴正向垂直的截面变形，为此，依据此纵向位置选取点云厚度为点云平均间隔2-3倍的薄片状点云，并将其投影至XOZ平面，依据平面内点的坐标与局部法向量以及对应的变形量，得到截面内自参考点云至比较点云的变形分布特征，通过多个连续时间的计算结果，得到截面的变形演化过程；所述截面内自参考点云至比较点云的变形分布特征为：
pex(i)＝px(i)+L(i)Nx(i)
pez(i)＝pz(i)+L(i)Nz(i)
其中，pex(i)变形后轮廓点i的X坐标，px(i)变形前轮廓点i的X坐标，L(i)为代数距离，Nx(i)为点i的局部法向量的x分量，pez(i)为变形后轮廓点i的Z坐标，pz(i)为变形前轮廓点i的Z坐标，Nz(i)为点i的局部法向量的z分量；
深埋隧道围岩的空间变形分布特征及其演化过程，参考点云中每个点的三维坐标及其对应的代数变形量，由颜色映射反映深埋隧道围岩的空间变形大小，通过多个连续时间的扫描点云，可得到隧道围岩空间变形演变过程；为了便于分析与应用，需将在三维空间坐标系下隧道围岩变形映射至二维平面。为此，将隧道轮廓点云分成三部分，即顶拱区域、左侧边墙区域与右侧边墙区域的计算点，对于左侧与右侧边墙区域，将计算点在空间坐标系下的Z坐标分量映射为二维平面的分量X′，而将计算点在空间坐标坐标系下的Y坐标分量映射为二维平面的分量Y′，则可得到左侧与右侧边墙对应于平面坐标系下的变形，对于顶拱区域的计算点，采用椭圆方程对顶拱部位的点云进行拟合，得到拟合中心(cx,cz)以及对应的长、短半轴长度a与b，计算拟合中心与计算点构成的射线与X轴正向的夹角θ以及对应的弧段长度s，将弧长长度s映射为二维平面的分量X′，而将计算点在空间坐标坐标系下的Y坐标分量映射为二维平面的分量Y′。至此，可实现将三维空间坐标系下所有计算点的变形映射至二维平面，通过将围岩变形与颜色建立映射关系，可实现对隧道围岩空间变形分布的直观与快速的识别；所述弧段长度为：
其中，s为弧段长度，θ为计算点构成的射线与X轴正向的夹角，a为椭圆方程中长半轴长度，b为椭圆方程中短半轴长度；
其中，iz顶拱部位轮廓点i的Z坐标分量，ix为顶拱部位轮廓点i的X坐标分量，(cx,cz)为顶拱部位点云进行拟合得到的拟合中心。
具体地，在本实施例中，本发明从深埋隧道点云的几何特征入手，建立不同时间深埋隧道点云对齐方法，以及不同时间深埋隧道点云变形检测方法，从而实现了不同时间的隧道点云实现深埋隧道围岩三维空间变形的计算与分析，解决了深埋隧道不同时间对齐的难题，克服了已有隧道点云变形方法仅适用于圆形、椭圆形断面隧道的问题，同时，通过直接计算三维空间点云之间的差异实现隧道空间变形的计算，更加真实的反映隧道围岩的空间变形特征。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定深埋隧道围岩变形分析洞段，利用地面三维激光扫描***获取洞段在不同时间的深埋隧道点云；
S2、建立不同时间深埋隧道点云的简化坐标变换关系；
S3、通过两步法计算简化后坐标变换矩阵的独立未知分量；
S4、计算深埋隧道点云的局部法向量，并定义计算点云的投影圆柱，得到不同时间隧道点云在投影圆柱的点云子集，基于所述点云子集分别对应的平均投影中心之间的几何距离得到计算点云的变形，从而得到所有计算点云的变形大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述步骤S2之前，包括：将所述深埋隧道点云进行第一次坐标变换，具体为：
建立深埋隧道点云变形分析的全局坐标系；
计算深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴的夹角，得到坐标旋转矩阵，进行坐标旋转变换，使深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴方向一致；所述坐标旋转矩阵，具体为：
其中，α为深埋隧道点云的延伸方向与全局坐标系中Y轴的夹角，(X,Y,Z)为坐标旋转变换前的深埋隧道点云坐标，(Xnew,Ynew,Znew)为坐标旋转变换后的深埋隧道点云坐标。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述将深埋隧道点云进行第一次坐标变换之后，包括：
对深埋隧道点云进行滤波处理，得到隧道轮廓点云和非轮廓点云；
基于所述隧道轮廓点云进行第二次坐标变换，得到坐标变换矩阵，使不同时间的深埋隧道点云处于同一坐标系内；所述坐标变换矩阵为：
其中，(xg,yg,zg)为坐标变换后的隧道轮廓点云坐标，为坐标旋转矩阵，(xs,ys,zs)为坐标变换前的隧道轮廓点云坐标，rij为坐标旋转矩阵的旋转分量，(tx,ty,tz)为沿全局坐标系X，Y，Z轴方向的平移分量。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述简化坐标变换关系为：
其中，θz为绕全局坐标系中Z轴的旋转角。
5.根据权利要求4所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述步骤S3通过两步法计算简化后坐标变换矩阵的独立未知分量，具体为：
S31、采用ICP算法对齐不同时间深埋隧道点云的名义轴线，得到简化坐标变换矩阵绕Z轴的旋转分量以及沿X、Y轴的平移分量；
S32、对隧道顶拱进行拟合并匹配不同时间的拟合中心，得到沿Z轴的平移分量。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述步骤S31，具体为：
沿全局坐标系Y轴正向将深埋隧道点云划分为若干等厚度的薄片状分段点云，根据深埋隧道分段点云在XOY平面投影，计算沿全局坐标系X轴方向的中点，结合深埋隧道分段点云的纵向位置，定义深埋隧道名义轴线上的点集(xi,yi)；
设置迭代阈值，采用ICP算法对齐深埋隧道点云在不同时间的深埋隧道名义轴线上的点集(xi,yi)，计算绕Z轴的旋转分量θz和沿X，Y轴的平移分量tx，ty。
7.根据权利要求5所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述步骤S32，具体为：
采用椭圆拟合法确定不同时间同一截面的拟合中心；
基于多个截面点云拟合计算沿Z轴的平移分量tz；所述平移分量tz为：
其中，tz为沿Z轴的平移分量，N为截面点云数量，czf,i为参考点云中第i个截面的拟合中心的坐标分量z，czm,i为比较点云中第i个截面的拟合中心的坐标分量z。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述步骤S4计算深埋隧道点云的局部法向量，具体为：
选定两个不同时间的同一洞段且处于统一坐标系下的深埋隧道点云，将扫描时间在前的定义为参考点云，扫描时间在后的定义为比较点云；
计算参考点云以每个点为中心，法向尺度D的1/2为半径的球形邻域内的点集，通过平面拟合的方式得到对应平面方程，以平面法向作为参考点云中每个点对应的局部法向量N，并进行局部法向量N方向的判定。
9.根据权利要求8所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述步骤S4之后，还包括：
获取反映参考点云中任意一点i的局部粗糙度的置信区间；
基于所述局部粗糙度的置信区间，对深埋隧道围岩变形的真实性进行判断。
10.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法，其特征在于，所述步骤S4之后，还包括：
基于深埋隧道围岩在不同时间的深埋隧道点云变形结果，获取深埋隧道围岩的变形特征，进行结果可视化；所述深埋隧道点云的可视化包括深埋隧道围岩任一点在不同时间的变形历程曲线、深埋隧道围岩任一截面的变形特征及演化过程、深埋隧道围岩的空间变形分布特征及演化过程。
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|---|---|---|---|
| CN202311700389.6A CN117788574A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 一种基于三维激光扫描点云的深埋隧道围岩变形分析方法 |
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| CN (1) | CN117788574A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118128527A (zh) * | 2024-05-06 | 2024-06-04 | 中国科学技术大学 | 深部岩体随钻激光测量地应力的测量***及测量方法 |
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2023
- 2023-12-12 CN CN202311700389.6A patent/CN117788574A/zh active Pending
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