地面三维激光扫描数据处理方法及装置与流程

本发明涉及测绘科学技术领域，具体涉及一种用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法及装置。

背景技术：

对隧道变形的监测和分析有助于更好理解掌握变形量和变形特征，更有助于对隧道进行监控和预警。利用传统测量手段，比如全站仪，只能有针对性的获取有限个离散点坐标，缺乏对隧道整体变形的描述；同时，如果关键变形点被遗漏，将误导传统监测结果严重失真。

机载三维激光扫描技术覆盖范围广，但是获取点云密度较稀，精度不高，往往不能满足变形监测精度要求。车载三维激光扫描技术点坐标精度有限，且在隧道里面，缺乏gps信号，采集数据困难。地面三维激光扫描技术可获取高密度、高精度的3d点位坐标，便于架站，适合面积不大区域的精细测量。因此，在地铁隧道等光线受限、又对精度要求较高的地区测量，地面三维激光扫描技术成为最为有力的技术手段之一。

虽然地面三维激光扫描技术可以获取海量的高精度点位坐标，但是，由于其获取点云数据的离散性，点云与隧道表面的一一对应关系不能确定，且不同时刻点云之间的一一对应关系也无法直接获得，这导致了从点云中无法直接获取隧道变形数据。因此，如何提供一种用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法，成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法及装置。

一方面，本发明实施例提出一种用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法，包括：

s1、通过将地面三维激光扫描仪采集的隧道点云转换至规则坐标系，确定隧道中轴线，进而建立用行列表示的格网坐标集，用作变形监测参考框架；

s2、对隧道内壁进行空洞填补和噪点处理；

s3、根据小面积点云类似平面准则，估计点云代表点；

s4、通过对比同一格网、不同日期点云坐标值，来量化计算和展示隧道全断面变形。

另一方面，本发明实施例提出一种用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理装置，包括：

建立单元，用于通过将地面三维激光扫描仪采集的隧道点云转换至规则坐标系，确定隧道中轴线，进而建立用行列表示的格网坐标集，用作变形监测参考框架；

处理单元，用于对隧道内壁进行空洞填补和噪点处理；

估计单元，用于根据小面积点云类似平面准则，估计点云代表点；

计算单元，用于通过对比同一格网、不同日期点云坐标值，来量化计算和展示隧道全断面变形。

本发明实施例提供的用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法及装置，以扫描仪采集点云为数据源，通过构建隧道中轴点集、建立变形监测参考框架，填补空洞和去除噪点，来提高点云的完整性和精度，最终通过似平面计算并比对点云代表点，实现准确量化、全面展示隧道变形的目的，能为变形监测和预警提供有力全面的数据支持。

附图说明

图1为本发明用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法，包括：

s1、通过将地面三维激光扫描仪采集的隧道点云转换至规则坐标系，确定隧道中轴线，进而建立用行列表示的格网坐标集，用作变形监测参考框架；

s2、对隧道内壁进行空洞填补和噪点处理；

s3、根据小面积点云类似平面准则，估计点云代表点；

s4、通过对比同一格网、不同日期点云坐标值，来量化计算和展示隧道全断面变形。

本发明实施例提供的用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法，以扫描仪采集点云为数据源，通过构建隧道中轴点集、建立变形监测参考框架，填补空洞和去除噪点，来提高点云的完整性和精度，最终通过似平面计算并比对点云代表点，实现准确量化、全面展示隧道变形的目的，能为变形监测和预警提供有力全面的数据支持。

下面对本发明用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理方法进行详细说明。

利用地面三维激光扫描技术计算隧道内壁的变形量，具体包括以下步骤：

(1)计算中轴和构建变形监测框架

选取隧道点云两个角点作为同名点，将点云转换到规则坐标系，其中所述规则坐标系的y轴朝向隧道前进方向，z轴垂直于地面，x轴服从右手法则。随后，将隧道分割成若干个连续的具有一定厚度的断面。下文如无特殊说明，断面均指有一定厚度的断面。每个断面内，提取最大z值所对应的点作为中轴点。将所有断面均进行此操作，所有中轴点组成隧道中轴线。

变形监测框架以若干个行、列组成的不随时间变化的方格网构成，其中，每个断面作为监测框架的一行；从中轴点出发，以厘米级宽度(dp)将断面分割成若干列，行列交叉点构成变形监测参考框架。

(2)空洞填补和噪点处理：

受杂物等遮挡，隧道内壁会出现点云缺失。在同一列内，根据相邻断面内隧道几何特征的相似性，通过相邻格网内点云填补缺失部分点云填补方法如下：

同时，对于受到噪点干扰的隧道内壁点云，采用随机采样一致性算法剔除/减少噪点，最终得到相对完整和干净的隧道内壁点云。

(3)代表点估计和精细转换：

根据定义的参考框架行列坐标，将点云唯一的划分到各个网格里，由于每个网格面积不大、且隧道内壁几何特性类似，将每个格网内点云近似认为平面进行拟合。通过格网的几何中心点，采用最小二乘平差估计点云中心点坐标，即格网代表点。

受监测网布局、仪器误差和环境因素影响，不同日期采集的点云往往存在系统误差，因此，以代表点作为观测值，根据参考框架，建立不同日期、同一格网内代表点的一一对应关系，将不同日期的代表点进行精细转换，来抵消或减小系统误差。

(4)计算和对比隧道变形：

根据格网行列号，确定同一位置、不同日期点云的对应关系。根据3d坐标值，计算隧道全断面变形量。

参看图2，本实施例公开一种用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理装置，包括：

建立单元1，用于通过将地面三维激光扫描仪采集的隧道点云转换至规则坐标系，确定隧道中轴线，进而建立用行列表示的格网坐标集，用作变形监测参考框架；

处理单元2，用于对隧道内壁进行空洞填补和噪点处理；

估计单元3，用于根据小面积点云类似平面准则，估计点云代表点；

计算单元4，用于通过对比同一格网、不同日期点云坐标值，来量化计算和展示隧道全断面变形。

本发明实施例提供的用于隧道变形监测的地面三维激光扫描数据处理装置，以扫描仪采集点云为数据源，通过构建隧道中轴点集、建立变形监测参考框架，填补空洞和去除噪点，来提高点云的完整性和精度，最终通过似平面计算并比对点云代表点，实现准确量化、全面展示隧道变形的目的，能为变形监测和预警提供有力全面的数据支持。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。