一种基于衬砌断面几何特征移动扫描数据里程定位方法与流程

本发明属于建筑施工领域，具体涉及一种基于衬砌断面几何特征移动扫描数据里程定位方法。

背景技术：

扫描仪在进行移动扫描时，为了获取扫描仪的实时位置信息，常在移动三维激光扫描平台中安装GPS实时定位系统，但在隧道中，GPS信号无法到达，因此无法通过GPS进行定位。

鉴于隧道扫描测量目的在于获取管壁影像和隧道横断面数据，一般地，隧道移动扫描只需要确定扫描仪沿中轴线方向的里程信息。因此常规方法是在轨道车上增加里程传感器来确定扫描仪的里程信息。但经实际应用中发现，里程传感器的精度受隧道曲率等因素影响，其精度无法满足要求。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于衬砌断面几何特征移动扫描数据里程定位方法，该方法通过利用扫描装置所获取的衬砌断面上的几何特征数据进而计算扫描装置的里程数据。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于衬砌断面几何特征移动扫描数据里程定位方法，其包括以下步骤：

1)扫描装置沿隧道轴线的方向移动，在移动的过程中所述扫描装置间隔预定时间对所述隧道的横断面进行扫描；

2)使用多个所述隧道横断面的扫描数据估算所述扫描装置在预定时间内的移动距离；

3)在所述扫描装置每次完成所述隧道横断面的扫描后，将移动距离累加至所述扫描装置的里程数据。

估算所述扫描装置在预定时间内的移动距离的方法包括以下步骤：

1)根据所述隧道横断面的扫描数据识别所述隧道衬砌内表面上的螺丝孔的位置，选取其中任意两个沿所述隧道轴线方向相邻分布的所述螺丝孔，同时统计两个相邻分布的所述螺丝孔之间已扫描的横断面的数目；

2)根据两个相邻分布的所述螺丝孔之间的距离以及已扫描的横断面的数目计算移动距离，计算公式如下：

。

所述扫描装置对所述隧道的横断面进行扫描过程中，沿所述隧道横断面在所述隧道内表面选取若干测量点，并逐个测量所述测量点在所述横断面上的坐标；所述隧道的横断面为类圆形。

相邻所述测量点之间的距离小于所述隧道内表面上所述螺丝孔的直径。

识别隧道衬砌内表面上的螺丝孔的位置，具体包括以下步骤：

1)在每个所述横断面上选取一段起点和终点均相同的圆弧，该圆弧和所述螺丝孔位于同一高度；

2)位于第个横断面上被选取的圆弧中的所述测量点构成点集；

3)对点集采用稳健估计的最小二乘圆弧拟合方法进行拟合得到圆弧；

4)求点集中每个点到圆弧的距离集合，的计算公式为：

其中， 和是点集中第个点的坐标；，，分别是圆弧的圆心坐标和半径；

5)计算每个距离集合中正数的百分比，将按照横截面的扫描顺序绘制成曲线，曲线的波峰处为螺丝孔的位置。

在绘制成的曲线中，相邻的波峰之间点的数量等于波峰对应的螺丝孔之间的横截面的数量。

本发明的优点是，根据扫描装置的扫描结果可以精确的获取扫描装置的里程数据，解决了现有技术中里程传感器的精度受隧道曲率等因素影响精度不足的问题。

附图说明

图1为本发明中基于衬砌断面几何特征移动扫描数据里程定位方法中扫描装置在工作过程中的示意图；

图2为本发明中基于衬砌断面几何特征移动扫描数据里程定位方法中隧道横截面的示意图；

图3为本发明中基于衬砌断面几何特征移动扫描数据里程定位方法中将按照横截面的扫描顺序绘制成的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-3，图中标记1-5分别为：扫描装置1、隧道2、轨道3、螺丝孔4、第二段圆弧5。

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种基于衬砌断面几何特征移动扫描数据里程定位方法，该方法用于隧道2内扫描装置1的里程定位。隧道2内的扫描装置1架设于隧道2内部的轨道3上，轨道3沿隧道2的轴线方向设置。运行过程中，扫描装置1在轨道上沿隧道2的轴线方向移动。扫描装置1在移动过程中间隔预定时间对隧道2的横断面进行扫描，扫描装置1扫描的隧道2的横断面和隧道2的轴线垂直。

隧道2是由多节预制环片拼装而成的，隧道2的环片之间通过螺栓连接，环片的内表面设置有螺栓孔；由于环片是预制构件，环片上的螺丝孔4位置固定，且尺寸有统一标准，即同一环片上同一高度的螺丝孔4间距固定。

扫描装置1在隧道2内部移动过程中速度波动较小，在隧道2任意一节环片的内部，扫描装置1的运动速度近似匀速；由于扫描装置1间隔预定时间对隧道2的横断面进行扫描，因此可以近似认为在隧道2任意一节环片的内部，任意两个相邻的横断面之间的距离是相等的。

综上所述，根据两个相邻螺丝孔4之间的距离以及两个相邻螺丝孔4之间扫描过的横断面的数目可以计算出两个相邻横断面之间的距离，横断面的距离结合横断面的数目可以推算出扫描装置1的里程数据。

如图1和图2所示，扫描装置1间隔预定时间对隧道2的横断面进行扫描。在本实施例中，隧道2的横断面为类圆形；在扫描横断面的过程中，扫描装置1沿隧道2的横断面在隧道2内表面选取多个测量点，并逐个测量所述测量点在所述横断面上的坐标，同时保存扫描得到的数据；为了保证扫描装置1在扫描过程中能够检测到隧道2内表面的螺丝孔4，相邻测量点之间的距离小于隧道2内表面上的螺丝孔4的直径。

如图1和图2所示，扫描装置1在每次完成隧道2横断面的扫描后，扫描装置1使用多个隧道2横断面的扫描数据判断是否检测到了新的螺丝孔4，螺丝孔4的识别包括以下步骤：

1)在每个横断面上选取一段起点和终点均相同的圆弧，该圆弧和螺丝孔4位于同一高度，在本实施例中，在每个横断面上选取如图2中所示的第二段圆弧5；

2)位于第个横断面上被选取的圆弧中的所述测量点构成点集；

3)对点集采用稳健估计的最小二乘圆弧拟合方法进行拟合得到圆弧；

4)求点集中每个点到圆弧的距离集合，的计算公式为：

其中，和是点集中第个点的坐标，，，分别是圆弧的圆心坐标和半径；

5)计算每个距离集合中正数的百分比，将按照横断面的扫描顺序绘制成如图3所示的曲线，曲线的波峰处为螺丝孔4的位置。

如图3所示，为了估算扫描装置1在预定时间内的移动距离，根据隧道2断面的扫描数据识别隧道衬砌内表面上螺丝孔4的位置，选取两个沿隧道2轴线方向相邻分布的螺丝孔4；同时统计两个相邻分布的螺丝孔4之间已扫描的横断面的数目；具体的，在本实施例中，选取绘制成的曲线中最近识别出的两个波峰对应的螺丝孔4；两个相邻分布的所述螺丝孔4之间的距离为，相邻的波峰之间点的数量等于波峰对应的螺丝孔4之间的横截面的数量，扫描装置1在预定时间内的移动距离的计算公式为：

在扫描装置1每次完成隧道2横断面的扫描后，将移动距离累加至扫描装置1的里程数据，通过不断重复将移动距离累加至扫描装置1的里程数据可以获取准确的里程数据。

本实施例的优点是，根据扫描装置的扫描结果可以精确的获取扫描装置的里程数据，解决了现有技术中里程传感器的精度受隧道曲率等因素影响精度不足的问题。