一种不规则断面隧道内壁影像投影展开方法与流程

本发明涉及隧道病害检测技术领域，尤其是一种不规则断面隧道内壁影像投影展开方法。

背景技术：

目前三维激光扫描仪作为一种新型的测绘仪器，它可以不接触目标并能快速、精确地获取目标的三维点坐标和反射率信息，通过该信息解算出的隧道内壁正射影像可为地铁隧道维护工作提供便利，通过对影像上各类附属设施及病害信息的识别和判读，可获得所需要素的位置信息和形状信息等。

根据隧道用途及施工方法等因素要求，目前的地铁区间隧道主要有暗挖马蹄形断面隧道、圆形盾构断面隧道、明挖矩形断面隧道。常用的投影方式为等角度投影，但只适用于圆形盾构隧道，对于其他类型的隧道会发生投影变形，造成影像上各要素位置与形状等量测不准确，目前如何将不同形状的空间断面投影展开成平面图形并且保证影像上各要素相对位置不变还没有统一的方法可循。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种不规则断面隧道内壁影像投影展开方法，通过将隧道三维点云数据分割为若干断面，然后按天顶距排列扫描点再结合扫描点之间的距离生成展开后的二维点云坐标数据，再经反距离权重法插值形成隧道内壁影像，保证影像上各要素位置与形状等量测准确。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种不规则断面隧道内壁影像投影展开方法，其特征在于：所述方法至少包括以下步骤：将隧道原始点云数沿里程方向分割成若干断面；计算各所述断面的断面重心，将所述断面重心作为断面中心，以所述断面中心垂直水平面向上的方向作为天顶正方向；计算断面内各扫描点到所述断面中心的连线与所述天顶正方向之间的夹角，记为天顶距，将所有扫描点按天顶距的大小进行排序；以天顶距最小或最大的扫描点为起点按排序顺序求取前后两个扫描点之间的间距；以作为起点的扫描点的坐标为基准，结合所求得的前后两个扫描点之间的间距，确定每个扫描点在其断面内的坐标；结合每个扫描点在其断面内的坐标位置和其反射率信息进行插值生成隧道内壁影像。

确定每个扫描点在其断面内的坐标位置是通过，重设作为起点的扫描点坐标为（），其中横坐标为第i个断面的里程，纵坐标为固定值，即所有断面的所述起点的纵坐标相同；以所述起点纵坐标作为基准，逐步累加所求得的前后两个扫描点之间的间距，从而确定每个扫描点在其断面内的坐标。

第i个断面，第j个扫描点在其断面的投影坐标为)，其中为第i个断面的里程，的计算公式为

，其中为第i个断面内所述起点的纵坐标，为该断面内，该扫描点与所述起点之间各扫描点的间距的求和。

采用反距离权重法进行插值生成隧道内壁影像。

本发明的优点是：适用于任何不规则断面隧道的内壁影像生成，适用范围广；保证影像上各要素相对位置不变，能够保证精确度，可通过影像精确定位隧道病害的发生位置，便于对病害进行处理；简单便利，适于推广。

附图说明

图1为原始隧道点云数据图；

图2为本发明隧道分割后的切片数据图；

图3为单个断面内按天顶距从小到大排序的起点坐标示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明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：

实施例：本实施例中不规则断面隧道内壁影像投影展开方法包括以下步骤：

1）断面提取：由三维激光扫描仪扫描得到的原始隧道点云数据形状为狭长形的柱状体，如图1所示。沿隧道里程方向y将原始隧道点云数据分割成若干切片，每个切片即为隧道的断面。如图2所示，隧道点云数据分割成断面i，i为断面数量的变量值，可在断面数量这一变量中进行取值；举例而言，若将隧道点云数据分割为1000个断面时，i的取值范围为1-1000。

2）断面中心计算：计算各断面的断面重心，以断面重心作为断面中心，并且以断面中心垂直水平面向上的方向作为天顶正方向，即为图3所示的z轴方向。如图2所示，图中断面中心为点o。图3所示的断面由若干密集排列的扫描点构成。

3）断面内扫描点排序及起点确定：计算断面内各扫描点到断面中心的连线与天顶正方向的夹角，该夹角为天顶距θ，范围-180°至180°，如图3所示。将所有扫描点按天顶距从小到大（或从大到小）进行排序，假设每一断面上共有r个扫描点，以天顶距最小（或最大）的扫描点（x1,z1）为起点。图3所示的作为起点的扫描点（x1,z1）为天顶距最大的扫描点，由于y方向为里程方向，而在断面内无里程方向，因此设该起点坐标为（x1,z1），其中x1,z1为点云坐标。

4）计算断面内的扫描点间距：从每个断面的起点开始，按排序顺序求取前后两个扫描点之间的距离。，，记为，其中xr，zr为断面内某一扫描点的点云坐标（xr，zr），xr-1，zr-1为该扫描点的前一扫描点的点云坐标（xr-1，zr-1），r代表该扫描点在所处断面内的点号。

5）确定每个扫描点的投影展开坐标：将二维断面内扫描点以天顶方向为基准线展开。重设起点坐标为（），其中横坐标为第i个断面的里程，纵坐标为一固定值，所有断面起点纵坐标一致。以起点纵坐标为基准，逐步累加两个扫描点之间的距离，记为在断面平面内第j个扫描点的纵坐标。则第i个断面，第j个扫描点的投影坐标为)，其中为该扫描点所在的第i个断面的里程，的计算公式为：

，其中为第i个断面内起点的纵坐标，为该断面内，该扫描点与起点之间各扫描点的间距的求和。

6）插值生成影像：确定每个扫描点在二维平面内的坐标位置后，根据每个扫描点的反射率信息采用反距离权重法进行插值生成隧道内壁影像。