一种基于三维激光扫描的隧道检测系统和方法与流程

本发明涉及隧道检测，特别涉及一种基于三维激光扫描的隧道检测系统和方法。

背景技术：

1、我国国土陆地面积居世界第三，东西南北跨度都达到了5000km之多。但是地势崎岖，山地丘陵占陆地面积67％，道路交通成为我国国民经济和社会发展的命脉，而隧道就是其中的重要节点。截至2020年底，仅公路隧道就达到了2万多座。隧道运营过程中，地质灾害、车辆行驶震动、自身老化等种种因素都会对隧道造成或多或少的损伤，当隧道损伤过大时就会存在安全隐患，严重时甚至出现坍方阻断交通，威胁人民生命和财产安全。目前大部分隧道检测还是利用人工搭建脚手架对隧道壁进行观察检测，效率低，对人员经验要求较高，判断结果较为主观，不够标准规范。因此很多隧道病害发现不够及时。随着科学技术日新月异，全站仪、三维激光扫描仪器等现代化仪器也越来越多的在本领域得到应用。

2、三维激光扫描在隧道检测领域应用的原理，本质上就是利用仪器对隧道进行扫描，对扫描数据进行一系列的处理，对比每次扫描的数据的差异，进行分析处理，最终得到隧道病害情况的结果。然而目前利用三维激光扫描仪进行数据采集普遍还是人工架设三脚架多点采集的方式。由于隧道内有车辆行驶，在扫描作业前需对隧道进行管控甚至封闭，对交通带来的影响较大。同时，为保证数据的准确性需要在隧道纵深方向进行多点位扫描，在面对较长的隧道时，效率低下。并且对扫描数据分析不够智能和准确，不能有效检测隧道形变。

3、为此，本技术设计了一种基于三维激光扫描的隧道检测系统和方法，将三维激光扫描设备集成在机器人上，悬挂于隧道顶部，使用本系统和方法，可以实现无人化隧道检测并对扫描数据自动分析。

技术实现思路

1、本发明为了弥补现有技术中的不足，提供了一种基于三维激光扫描的隧道检测系统和方法。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种基于三维激光扫描的隧道检测系统，包括轨道，其特征在于：所述轨道固定连接在隧道中央顶部，轨道上悬挂机器人底盘，在机器人底盘的底部挂在有三位激光扫描仪。

4、一种基于三维激光扫描的隧道检测方法，利用基于三维激光扫描的隧道检测系统，其特征在于，包括以下步骤：

5、s1，隧道点云获取；

6、s2，单站点云坐标更改；

7、s3，隧道三维中轴线提取；

8、s4，隧道拱顶点云自动提取；

9、s5，隧道横断面自动分割；

10、s6，断面基准拟合；

11、s7，隧道断面形变分析；

12、s8，隧道拱顶形变全分析；

13、s9，隧道同名断面多期对比。

14、进一步地，为了更好的实现本发明，所述s1具体为，机器人后台控制中心向机器人下达指令，指令信息通过无线信息传输系统下达到机器人控制系统，机器人进行运动并到达指定位置，此时机器人挂载的三维激光扫描仪开始工作，扫描隧道点云；扫描完成后将点云数据通过无限信息传输系统上传到机器人后台控制中心；所述s2具体为，引入车载激光扫描系统，其中车载扫描系统上搭载了惯导和gnss的组合导航系统，能够在移动扫描过程中实时为点云赋予通用的大地坐标系的坐标，以得到连续可靠的隧道点云模型；为了将单站点云的坐标改正到移动车载点云上，需要在隧道内壁按照设计均匀的贴上控制点靶标，然后分别在移动车载点云和单站扫描点云中采集靶标的坐标信息，并作同名靶标控制点的匹配；使用同名控制点对计算四参数加高差补偿值组合的方案将单站扫描点云所在的独立坐标系改正到车载扫描系统的大地坐标系上，其中四参数分别为x轴的平移、y轴的平移、旋转、缩放。

15、进一步地，为了更好的实现本发明，所述s3具体为，首先将隧道投影到水平和竖直两个平面，然后采用边界格网和角度双重约束提取隧道二维边界点,并对边界点进行迭代最小二乘拟合进而提取水平中线点和侧面中线点；然后将侧面中线点正射投影至水平中线点所在竖直曲面，得到三维中轴点；根据扫描线间隔，对去噪后的点云进行空间距离下采样，得到密度均匀的隧道点云；提取的三维中轴线将用于隧道拱顶自动分割、隧道单站点云数据分割、隧道横断面提取部分；具体流程如下：

16、s31，采集隧道入口和出口的中间点云，计算两点的方向矢量，将该方向矢量旋转到平行于y轴，将计算得到的旋转矩阵用于旋转隧道；

17、s32，将隧道点云向水平面和走向对应的竖直侧面二维投影，采用alpha shapes边界提取方法提取投影边界；

18、s33，采用滑动窗口直线拟合，根据拟合直线与坐标轴的夹角，

19、提取水平长边界点；

20、s34，利用最邻近点云之间x坐标的差值是否大于阈值，提取竖直平面的长边界点；

21、s35，计算边界点连线中点作为二维中线点，采用迭代最小二乘拟合与曲线重采样，得到密集离散的二维中线点；

22、s36，将侧面二维中线正射投影至水平中线所在的竖直曲面，得到三维中轴线。

23、进一步地，为了更好的实现本发明，所述s4具体为：

24、s41，遍历隧道三维中轴线，三维中轴线每前进相同的距离就作为一个微元处理单元，提取这一段微元单位中间中轴线点的法平面ⅱ；s42，遍历隧道点云，若隧道点云到法平面ⅱ的距离小于设计值则归入当前微元的切片点云；

25、s43，遍历切片点云，当切片点云的高程与该微元的中心中轴线的高程差值大于阈值时，则将该点云归为拱顶点云，否则归为拱底点云；

26、s44，沿中轴线前进方向继续按上述步骤提取拱顶和拱底，最后将所有提取的拱顶和拱底点云进行合并，得到该隧道的拱顶点云和拱底点云。

27、进一步地，为了更好的实现本发明，所述s5具体为：

28、s51，计算法向量，将三维中轴线分割为由三个相邻中轴点构成的微元，维中轴线任一点pi处的横断面法向量mi可由该点前后两个点pi-1、pi+1构成的向量m表示，即：

29、mi→m＝xi+1-xi-1，yi+1-yi-1，zi+1-zi-1；

30、s52，计算法平面，根据隧道三维中轴线上任一点p′(x′y′z′)处的法向量mi＝a，b，c，可求得对应的法平面方程：ax+by+cz+d＝0其中，d＝-ax′+by′+cz′；

31、s53，隧道断面点云切片由于隧道点云分布不均匀，并非所有区域都有点云数据，故进行断面点云提取时，需要以一定厚度对隧道点云进行切片处理，然后将切片点云正射投影至横断面得到横断面点云；以法平面ii为基准面，向两侧延伸一定距离e实现隧道点云切片；设切片内一点p0(x0，y0，z0)，在法平面的正射投影坐标为pπ(xπ，yπ，zπ)，则投影变换公式：

32、

33、s54，横断面调整隧道横断面曲线拟合通常为二维拟合，而断面点具有三维特征，不在同一坐标平面内，因此，在横断面曲线拟合之前需要将每一组断面点云进行坐标旋转，使其与隧道第一主方向对应的坐标轴正交。

34、进一步地，为了更好的实现本发明，所述s6具体为，使用ransac椭圆拟合算法对断面点云进行基准椭圆拟合；所述s 7具体为，基于拟合的椭圆数学模型作为隧道断面的基准模型对隧道拱顶断面进行形变分析；将断面点云投影到平面上，以极坐标为坐标系，按照角度为分析单元，将每一角度中隧道断面与拟合椭圆基准的距离的极值作为这一角度下断面的形变分析值，并生成该断面的形变雷达图；为了精准量化断面的形变大小，每个断面的分析结果同样以数据形式进行保存，对每一个横断面点云进行椭圆模型拟合，计算断面点所有点云到基准拟合椭圆的距离，检查结果是否符合标准正态分布。

35、所述s8具体为，对隧道拱顶点云沿三维中轴线前进方向每一定距离裁切断面点云，对每个断面进行基准椭圆拟合，计算断面点云到基准椭圆的距离，根据径向变化量的正负和大小，进行蓝绿黄红渐变渲染；在隧道表面没有脱落、拥包病害处，颜色变化平缓；轮廓突变处，颜色变化随之突变，根据这一特性，检测单期断面变化情况。

36、所述s9具体为，为了持续监测公路隧道断面的形变情况，需要对同一段面不同时期下的断面形变情况进行对比分析：

37、s91，提取基础断面的拟合数学模型与断面点云本算法首先拟合基础断面的椭圆参数，将该参数作为该断面的基准断面模型，同时保留基础断面的断面点云文件和各角度下断面点云到基准断面模型的距离数据；

38、s92，精配准依次遍历所有待分析的断面，通过断面位置匹配到同名基础断面的基准数据，其中断面位置的中误差控制在要求范围内，将对比断面的点云使用精配准算法配准到同位置基础断面点云上，获得配准后的对比断面点云；

39、s93，计算较差遍历配准后的对比断面点云，计算对比点云到基准断面拟合椭圆模型之间的距离，统计每个角度下距离的极值作为该角度下断面到基础椭圆模型的距离；计算对比断面到基准模型的距离和基准断面到基准模型的距离互差作为多期隧道断面形变的较差计算值。

40、本发明的有益效果：

41、1、在隧道点云数据获取上，本发明采用机器人挂载三维激光扫描仪在隧道进行扫描作业，与传统架设三脚架多点扫描相比，本发明采用的方案对交通的影响可忽略不计，并且可以无人作业高频率进行隧道点云数据扫描，同时有着很高效率。

42、2、在单站点坐标改正上，使用同名控制点对计算四参数和高差补偿值，然后将单站扫描点云所在的独立坐标系改正到车载扫描系统的大地坐标系上。该技术方案相较于传统的坐标改正方式具有较高的稳定性。

43、3、在隧道三维中轴线提取上，本发明采用的算法基于投影策略，利用迭代最小二乘算法分别拟合提取水平面和侧面的中线，再将两条中线综合为该隧道的三维中轴线。该方法能适应绝大多数走势的公路隧道，且相较于传统的平面中线提取方法，能更好的适应有高程起伏的隧道情况。

44、4、在隧道横断面自动分割上，本发明引入微元思想确定三维中轴点对应的法平面方程，将法平面两侧一定厚度点云投影至该平面，实现隧道横断面提取。该方法相较于传统隧道点云断面分割有着较高的效率。

45、5、在隧道断面形变分析上，本发明将结果生成雷达图，隧道形变更加直观。

46、6、在隧道同名断面多期对比上，本发明采用的算法在处理多期断面对比分析时，增加点云精配准，将对比断面配准到同名基础断面上，再使用基础断面基准断面数学模型对对比断面进行分析，得到两期断面形变较差。