一种基于原始点云数据的隧道断面快速提取方法与流程

本发明涉及三维激光扫描隧道监控量测技术领域，具体涉及一种基于原始点云数据的隧道断面快速提取方法。

背景技术：

监控量测技术是隧道施工的重要组成部分，是掌握围岩动态和验证支护结构合理性的重要技术手段，也是确定合理支护时间的重要依据。监控量测技术的重要性不言而喻，管理单位也投入了大量的人力物力，然而近二十年来监控量测手段一直没有大的发展，仍在使用精密水准仪加收敛计等机械式测量手段，效率极其低下，测量结果受人为干扰严重。传统监测手段的诸多弊端，施工单位的不够重视，使得监控量测工作的实际开展越来越浮于表面，管理单位对此十分头疼。

所以，当三维激光扫描技术被介绍到监控量测领域时，隧道建设管理单位表现出了极大的兴趣。三维激光扫描技术在隧道监控量测中高效、稳定、可靠的表现，也逐渐征服了隧道建设施工单位。

随着三维激光扫描技术的逐渐成熟和不断发展，在隧道变形监测或检测工作中，三维激光扫描仪以其不用直接接触待测目标，短时获取大量数据信息的点云图等优势，在隧道及地下工程中越来越多地应用。利用三维激光扫描仪数据后处理软件，依据配准生成的拟合隧道模型，与设计模型比对，高精度地检测出每段隧道与设计模型的偏差，可精确获取隧道拱顶沉降，收敛位移，偏压状况，超挖欠挖，轴线偏移，初支侵限，二衬厚度初步检测等一系列隧道工程建设中的任务要求。

在传统隧道监控量测工作中，全站仪、水准仪观测的任务繁重，数据量少，且误差因素较多，所以三维激光扫描技术在隧道监控量测等方面可以发挥较大优势。

三维激光扫描技术在隧道的应用中，一般还是通过提取断面来进行监控量测工作，这主要是因为隧道监控量测一直以来都是以断面为单位实施的。现有的断面提取方法主要是对隧道断云数据进行曲面拟合，然后根据隧道路线设计信息进行切片处理，得到每个断面的测量数据。这种方法的不足之处是经过整体拟合后的点云数据可能存在局部失真问题，从而导致提取的断面数据无法真实反映隧道实际变化情况，进而失去测量意义。

综上所述，急需一种基于原始点云数据的隧道断面快速提取方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于原始点云数据的隧道断面快速提取方法，以解决隧道断面快速提取的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于原始点云数据的隧道断面快速提取方法，包括以下步骤：

步骤一：收集隧道断面设计图及其所在区间的路线平曲线要素表和竖曲线要素表以及扫描获取的隧道表面原始坐标点云数据；

步骤二：计算出待提取断面s处的斜率k，根据k的取值，对原始坐标点云数据dr沿坐标轴x轴或y轴方向进行排序，得到排序后的点云数据ds；

步骤三：对点云数据的粗提取，根据隧道净空宽度l及斜率k，从排序后的隧道原始坐标点云数据ds中提取出断面s所在坐标区间的点云数据dc；

步骤四：对点云数据的精提取，计算待提取断面s处的中心三维坐标o及其法向量n，根据点到平面的距离公式计算出待提取断面的点集dp；

步骤五：将提取的断面点集dp转换到平面坐标系。

进一步地，所述斜率k的计算方法为：

式中，为线元起点坐标方位角，r为圆曲线半径，为缓和曲线长度，s为计算断面至线元起点的距离，f为符号参数，当线元左偏时f取-1，当线元右偏时f取1。

进一步地，所述步骤二中原始坐标点云数据dr的排序规则为：当时，按y轴方向进行排序；当时，按x轴方向进行排序。

进一步地，所述断面s所在坐标区间的点云数据dc的提取方法为：

。

进一步地，所述断面s的法向量n的计算方法为：

式中，i为断面s处的坡度。

进一步地，所述精提取的断面点集dp的计算方法为：

式中，d为提取的断面厚度，d的取值为0.5~1厘米，为向量n的2范数。

进一步地，所述断面点集dp转换到平面坐标系的方法为：

。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明一种基于原始点云数据隧道断面快速提取方法，通过收集隧道断面设计图及隧道所在区间的平曲线要素表和竖曲线要素表，计算出待提取断面处的中心坐标和法向量；通过两次提取，粗提取和精提取，其中粗提取操作可以滤掉90%的点云数据，从而提高计算效率，最终得到提取的断面坐标数据，并可根据需要将其转换的平面坐标系。

（2）本发明一种基于原始点云数据隧道断面快速提取方法，理论严密，便于实现，能够简单的、高效的、精确的提取隧道任意断面坐标信息，可以为三维激光扫描等全断面隧道监测方法提供重要的技术支撑，如在此基础上进行拱顶沉降监测，周边位移监测，断面净空检测，衬砌厚度检测等。

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是隧道原始坐标点云图；

图2是隧道断面轮廓设计图；

图3是隧道断面s所在坐标区间图；

图4是隧道断面s粗提取原理（k<1）；

图5是隧道断面s粗提取与精提取示意图；

图6是隧道断面s三维坐标图；

图7是隧道断面s二维坐标图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1~图7，一种基于原始点云数据的隧道断面快速提取方法，本实施例应用于广东某高速公路隧道监控量测。

一种基于原始点云数据的隧道断面快速提取方法包括以下步骤：

步骤一：收集隧道断面设计图及其所在区间的路线平曲线要素表和竖曲线要素表以及扫描获取的隧道表面原始坐标点云数据，表示点云，其中下标表示自然数；点云数据属于左手坐标系，即x轴指向正北方向，y轴指向正东方向。

步骤二：计算出待提取断面s处的斜率k，根据k的取值，对原始坐标点云数据dr沿坐标轴x轴或y轴方向进行排序，得到排序后的点云数据ds；当时，按y轴方向进行排序；当时，按x轴方向进行排序。

所述斜率k的计算方法为：

式中，为线元起点坐标方位角，r为圆曲线半径，为缓和曲线长度，s为计算断面至线元起点的距离，f为符号参数，当线元左偏时f取-1，当线元右偏时f取1。

步骤三：对点云数据的粗提取，根据隧道净空宽度l及斜率k，从排序后的隧道原始坐标点云数据ds中提取出断面s所在坐标区间的点云数据dc；如图4所示，所述断面s所在坐标区间的点云数据dc的提取方法为：

；

式中，为坐标值，为中心坐标的坐标值。

所述的粗提取操作可以滤掉90%的点云数据，从而提高计算效率。

步骤四：对点云数据的精提取，计算待提取断面s处的中心三维坐标o及其法向量n，根据点到平面的距离公式计算出待提取断面的点集dp。所述断面s的法向量n的计算方法为：

式中，i为断面s处的坡度。

所述精提取的断面点集dp的计算方法为：

式中，d为提取的断面厚度，d的取值为0.5~1厘米，为向量n的2范数。

步骤五：将提取的断面点集dp转换到平面坐标系。所述断面点集dp转换到平面坐标系的方法为：

。

其中，r代表旋转矩阵，dt为平面点集。

上述一种基于原始点云数据隧道断面快速提取方法，理论严密，便于实现，能够简单的、高效的、精确的提取隧道任意断面坐标信息，可以为三维激光扫描等全断面隧道监测方法提供重要的技术支撑，如在此基础上进行拱顶沉降监测，周边位移监测，断面净空检测，衬砌厚度检测等。

本实施例为广东某高速公路隧道监控量测，使用三维激光扫描仪对该隧道表面进行扫描，获取原始点云坐标*.xyz文件（可视化结果如附图1所示）。并通过设计文件，收集其断面轮廓图（如附图2所示），平曲线要素表和竖曲线要素表。对该隧道某桩号处的断面提取具体工作流程如下：

（1）由附图2可知，该隧道断面净空长度l=11.77m，根据设计路线信息计算出断面s处的中心坐标o(2491170.127,480573.6779,181.6866),斜率k=1.0249，法向量n（0.6983,0.7157,0.0103）。

（2）由于|k|>1，将原始坐标点云数据按y轴进行排序，并计算出断面s所在的y轴区间范围（如附图4所示）。

（3）取d=0.5厘米，根据公式计算选择出符合条件的点，组成断面s的三维点集（如附图6所示）。

（4）根据坐标转换公式，将断面s的三维点集转换到平面坐标系（如附图7所示）

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。