非设站式隧洞形貌重构系统及方法

1.本公开实施例涉及测量技术领域，尤其涉及一种非设站式隧洞形貌重构系统及方法。


背景技术：

2.目前，在我国，随着城市规模的扩展及城市人口的不断增加，城市内的交通压力越来越大，因此，许多城市都在大力建设地铁系统。我国目前处于轨道交通的快速发展时期，大量地铁线路的开通运营对轨道交通设备的管理和检修工作提出了越来越高的要求。其中，对地铁隧洞建设、运营期的日常巡检，定时了解隧洞的形貌情况，是进一步进行隧道建成质量评估、病害识别的重要基础，为确保隧道建成质量及安全运营，需要定期地进行隧道形貌巡检。
3.目前采用的检查方法主要为人工观察，即使用肉眼、尺规、全站仪获取隧道形貌的局部形貌、病害特征，并将这些特征以纸质的形式记录。这种方法造成相关工作人员劳动强度大，且容易出现漏检现象，检测效率、精度均不高，从纸质材料中难以详细具体地了解隧道概况。
4.此外，为提高检测效率和规范，目前也有采用机器视觉技术检测隧洞形貌的方法。这种方法一般，以一定距离设置站点，使用三维点云扫描仪进行隧洞局部形貌采集，然后使用全站仪测量站点的相对位置，最后将局部形貌三维点云使用配准算法拼接，从而合成出完整隧洞形貌数据。这种方法需设置站点，搬运全站仪需要耗时耗力，并且站点间采集的数据拼接也会出现误差，检测精度易出现折损。
5.可见，亟需一直检测效率、精准度和适应性强的非设站式隧洞形貌重构系统。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本公开实施例提供一种非设站式隧洞形貌重构系统及方法，至少部分解决现有技术中存在检测效率、精准度和适应性较差的问题。
7.第一方面，本公开实施例提供了一种非设站式隧洞形貌重构系统，包括：
8.采集模块，所述采集模块用于采集巡检定位信息以及两侧隧洞的二维截面点云数据；
9.生成模块，所述生成模块与所述采集模块的数据输出端连接，所述生成模块用于根据所述定位信息生成巡检轨迹；
10.校正模块，所述校正模块与所述生成模块的数据输出端连接，所述校正模块用于分割保存采集信息，并校正所述巡检轨迹；
11.重构模块，所述重构模块与所述校正模块的数据输出端连接，所述重构模块根据校正后的巡检轨迹和所述点云数据进行隧道物体语义分割，并进行隧洞形貌三维重构。
12.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述采集模块包括巡检移动设备、编码器、九轴传感器、二维扫描仪及工控机。
13.第二方面，本公开实施例提供了一种非设站式隧洞形貌重构方法，应用于如上述公开实施例中任一项所述的非设站式隧洞形貌重构系统，所述方法包括：
14.步骤1、采集巡检定位信息以及两侧隧洞的二维截面点云数据；
15.步骤2、根据所述定位信息生成巡检轨迹；
16.步骤3、分割保存采集信息，并校正所述巡检轨迹；
17.步骤4、根据校正后的巡检轨迹和所述点云数据，进行隧道物体语义分割，并进行隧洞形貌三维重构。
18.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述定位信息包括设备的行进里程、竖直、水平偏移量。
19.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤2具体包括：
20.将行进里程以时间或数据帧数为基准与竖直、水平偏移量进行矢量合成计算生成巡检轨迹。
21.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤3具体包括：
22.设立一定时间或者里程作为阈值，将采集信息以数据包形式上传至上位机，同时初始化传感器，并将所述巡检轨迹与预设轨迹对比，进行补偿校正。
23.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤4具体包括：
24.使用所述巡检轨迹生成参考基准线，将两侧隧洞二维截面形貌点云进行坐标变换及逐帧拼接形成三维点云，聚类分析点云深度及反射强度值，实现对隧道物体识别标记，再经曲面拟合完整重构隧洞形貌。
25.本公开实施例中的非设站式隧洞形貌重构系统，包括：采集模块，所述采集模块用于采集巡检定位信息以及两侧隧洞的二维截面点云数据；生成模块，所述生成模块与所述采集模块的数据输出端连接，所述生成模块用于根据所述定位信息生成巡检轨迹；校正模块，所述校正模块与所述生成模块的数据输出端连接，所述校正模块用于分割保存采集信息，并校正所述巡检轨迹；重构模块，所述重构模块与所述校正模块的数据输出端连接，所述重构模块根据校正后的巡检轨迹和所述点云数据进行隧道物体语义分割，并进行隧洞形貌三维重构。
26.本公开实施例的有益效果为：通过本公开的方案，巡检定位实现整体隧洞形貌特征的提取，节省了设置站点以及数据记录步骤的耗时，减少了长距离采集传感器积累的误差，并能适应隧道的曲折变化、上下沉降，全面、高效采集了隧洞形貌信息。实现了巡检质量的安全可控，极大方便了后续对隧洞病害的识别及维护，降低了后续分析的难度。
附图说明
27.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
28.图1为本公开实施例提供的一种非设站式隧洞形貌重构系统的结构示意图；
29.图2为本公开实施例提供的一种非设站式隧洞形貌重构系统的部分结构示意图；
30.图3为本公开实施例提供的一种非设站式隧洞形貌重构方法的流程示意图；
31.图4为本公开实施例提供的一种非设站式隧洞形貌重构方法的部分流程示意图；
32.图5为本公开实施例提供的另一种非设站式隧洞形貌重构方法的部分流程示意图；
33.图6为本公开实施例提供的另一种非设站式隧洞形貌重构方法的部分流程示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
35.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
36.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
37.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
38.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
39.本公开实施例提供一非设站式隧洞形貌重构系统，所述系统可以应用于隧洞建设、日常巡检等场景的形貌检测过程。
40.参见图1，为本公开实施例提供的一种非设站式隧洞形貌重构系统的结构示意图。如图1所示，所述非设站式隧洞形貌重构系统100主要包括：
41.采集模块110，所述采集模块110用于采集巡检定位信息以及两侧隧洞的二维截面点云数据；
42.可选的，所述采集模块110包括巡检移动设备111、编码器112、九轴传感器113、二维扫描仪114及工控机115。
43.生成模块120，所述生成模块120与所述采集模块110的数据输出端连接，所述生成模块120用于根据所述定位信息生成巡检轨迹；
44.校正模块130，所述校正模块130与所述生成模块120的数据输出端连接，所述校正模块用于分割保存采集信息，并校正所述巡检轨迹；
45.重构模块140，所述重构模块140与所述校正模块130的数据输出端连接，所述重构模块140根据校正后的巡检轨迹和所述点云数据进行隧道物体语义分割，并进行隧洞形貌三维重构。
46.具体装配时，如图2所示，可以通过连接件将所述巡检移动设备111、所述编码器112、所述九轴传感器113、所述二维扫描仪114及所述工控机115连接，组成所述采集模块110，并将所述工控机115的数据输出端与所述生成模块120连接，然后所述校正模块130与所述生成模块120的数据输出端连接，最后将述重构模块140与所述校正模块130的数据输出端连接。
47.在使用时，所述采集模块110能够在隧洞内移动，其中，巡检移动设备111用于搭载测量仪器在隧道中行进，根据隧洞类型不同，可以为轨道式或无轨式四轮车。其中，二维扫描仪114，扫描角度大于180
°
，在巡检移动设备上方布置两台扫描仪，分别获取隧洞两侧的二维点云数据,。其中，九轴传感器113用于获取巡检轨迹姿态变化，如上下抖动，左右拐弯等，可以包括：地磁仪、陀螺仪、重力加速度等检测仪器。其中，编码器112可以为轮式计数器，用于记录巡检移动设备的行驶里程。采集到巡检定位信息以及两侧隧洞的二维截面点云数据，然后将所述定位信息发送至所述生成模块120，所述生成模块120将行进里程以时间或数据帧数为基准与竖直、水平偏移量进行矢量合成计算生成巡检轨迹，然后所述校正模块130设立一定时间或者里程作为阈值，将采集信息以数据包形式上传至上位机，同时初始化传感器，并进行将生成轨迹与预设轨迹对比，进行补偿校正，然后所述重构模块140使用校正后的巡检轨迹生成参考基准线，将两侧隧洞二维截面形貌点云进行坐标变换及逐帧拼接形成三维点云，聚类分析点云深度及反射强度值，实现对隧道物体识别标记，再经曲面拟合完整重构隧洞形貌。
48.本实施例提供的非设站式隧洞形貌重构系统，通过巡检定位实现整体隧洞形貌特征的提取，节省了设置站点以及数据记录步骤的耗时，减少了长距离采集传感器积累的误差，并能适应隧道的曲折变化、上下沉降，全面、高效采集了隧洞形貌信息。实现了巡检质量的安全可控，极大方便了后续对隧洞病害的识别及维护，降低了后续分析的难度。
49.与上面的实施例相对应，参见图3，本公开实施例还提供了一种非设站式隧洞形貌重构方法，所述方法包括：
50.步骤1、采集巡检定位信息以及两侧隧洞的二维截面点云数据；
51.可选的，所述定位信息包括设备的行进里程、竖直、水平偏移量。
52.具体实施时，可以采集巡检定位信息例如设备的行进里程、竖直、水平偏移量，以及两侧隧洞的二维截面点云数据。然后将巡检设备的行进里程、竖直、水平偏移量等巡检定位信息和两侧隧洞的二维截面数据报文的形式同步传输到工控机中。
53.步骤2、根据所述定位信息生成巡检轨迹；
54.进一步的，所述步骤2具体包括：
55.将行进里程以时间或数据帧数为基准与竖直、水平偏移量进行矢量合成计算生成巡检轨迹。
56.具体实施时，根据所述定位信息生成巡检轨迹。详细步骤如图4所示，通过工控机设定程序将报文转换，并将每个传感器数据以时间为对照以进行对应，将点云数据以扫描仪布置空间关系为参考合成为隧洞二维截面数据，将巡检里程与偏移量进行矢量合成，得
到巡检轨迹。
57.步骤3、分割保存采集信息，并校正所述巡检轨迹；
58.可选的，所述步骤3具体包括：
59.设立一定时间或者里程作为阈值，将采集信息以数据包形式上传至上位机，同时初始化传感器，并将所述巡检轨迹与预设轨迹对比，进行补偿校正。
60.具体实施时，分割保存采集信息，并进行生成轨迹校正。详细步骤如图5所示，使用一定时间或里程阈值作为数据包分割基准，控制每个数据包文件大小确保后续步骤计算时间小于下一数据包生成时间；将扫描仪、九轴传感器、里程计等传感器进行初始化剔除累计误差，以巡检轨迹作为轨迹匹配特征提取隧道中轴线对应部分，再基于对应中轴线修正该数据包巡检轨迹，将最后一帧数据作为下一数据包的相对坐标系原点。
61.步骤4、根据校正后的巡检轨迹和所述点云数据，进行隧道物体语义分割，并进行隧洞形貌三维重构。
62.在上述实施例的基础上，所述步骤4具体包括：
63.使用所述巡检轨迹生成参考基准线，将两侧隧洞二维截面形貌点云进行坐标变换及逐帧拼接形成三维点云，聚类分析点云深度及反射强度值，实现对隧道物体识别标记，再经曲面拟合完整重构隧洞形貌。
64.具体实施时，根据校正后的巡检轨迹、所述点云数据，进行隧洞形貌三维重构。详细步骤如图6所示，使用所述巡检轨迹生成参考基准线，将隧洞二维截面形貌点云进行坐标变换，使得截面的坐标原点位于基准线上，逐帧拼接形成三维点云，经过滤波处理剔除隧道内灰尘产生的体外飞点，聚类分析点云深度及反射强度值，与预先输入的管道、线路等障碍物的深度、反射强度特征进行匹配，实现对隧道中物体的识别及标记，再使用曲面拟合的方法将隧道点云拟合成曲面，得到完整重构隧洞形貌。
65.综上所述，上述公开实施例的非设站式隧洞形貌重构系统及非设站式隧洞形貌重构方法，通过设置采集模块、生成模块、校正模块和重构模块，能够对隧洞进行训练采集定位信息，实现整体隧洞形貌特征的提取，节省了设置站点以及数据记录步骤的耗时，减少了长距离采集传感器积累的误差，并能适应隧道的曲折变化、上下沉降，全面、高效采集了隧洞形貌信息。实现了巡检质量的安全可控，极大方便了后续对隧洞病害的识别及维护，降低了后续分析的难度，提高了检测效率、精准度和适应性。
66.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。