一种基于三维点云的隧道监测六维坐标系的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种隧道工程全信息监测和数据处理方法，属于地下工程施工监测和 风险管理技术领域。 技术背景
[0002] 隧道等地下工程设计的基本特点是"地质环境复杂，基础信息缺乏"，其施工存在 着很大的不确定性和高风险性，自从新奥法诞生以来，随着岩土理论及量测技术、数据库管 理技术、计算机辅助设计等方面的发展，使隧道等地下工程施工迈进了"信息化"时代。地 下工程也称为隐蔽工程，由于地质条件的不确定性和复杂性，给施工和安全带来很大的风 险和隐患，采用有效的监测和信息化管理技术全方位的采集现场信息，进行科学的分析和 预测可以避免和减少事故的发生，保证工程质量，但由于目前国内外监测技术和管理水平 所限，地下工程信息化监测问题一直是地下工程的瓶颈和难点。
[0003] 隧道等地下工程设计通常在测量三维几何坐标系Ω (X，y，Z)下进行，建立了隧道 的空间几何模型，为适应于信息化监测的需要采用三维激光扫描技术进行隧道监测可以得 到隧道施工全方位的监测信息，所以隧道三维全信息监测是势在必行的，三维激光扫描技 术可以快速得到隧道的三维点云数据，但在测量三维几何坐标系中无法自动确定隧道的横 断面方向和位置，给数据分析和使用带来了很大的困难。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的建立了一种隧道六维坐标系统，该系统包括三维空间的几何形态以 及随时间和平面与铅垂方向的转向坐标轴，该坐标轴为一种六矢量坐标系统，可以用来描 述隧道等地下工程的几何形状与大小，同时可以描述在平面内的变化姿态，铅垂面的变化 姿态，以及随时间的变化姿态，采用该坐标系统可以根据监测所采集的点云或像元信息挖 掘和计算特征点的空间信息，得到隧道等地下工程的位移和净空变化量，在不丢失监测信 息的基础上为隧道等地下工程施工和设计提供了数据更可靠和信息更全面的依据。
[0005] 同时该坐标系可以用来描述隧道等地下工程的六维空间形态，包括姿态变换和时 间变换，挖掘点云或像元信息，灰度信息和强度信息等，得到隧道等地下空间体在六维坐标 系下的空间数据，在特定的边界条件下快速实用的进行隧道三维扫描点云监测和监测数据 处理。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：⑴建立隧道六维监测坐标系：定 义隧道中线为一空间几何曲线，几何原点位于隧道中线上，在隧道六维空间坐标系下隧道 中线的几何形态表达式为：y = f (Xi, Yi, Zi, Θ D β D ti)，其中，X，Y，Z为隧道在测量三维几 何坐标系下坐标值，Θ隧道中线在某一点i的水平转角或偏角，β为隧道中线在某一点i 的竖向转角或偏角，坐标系统如图1所示。（2)隧道六维监测坐标系简化为隧道三维监测坐 标系，快速得到在特定边界条件下的监测数据和分析结果：定义在某一时间t，隧道中线的 竖向转角和水平转角均为零，可以把隧道六维空间坐标系统简化为以隧道中线方向为X坐 标，以点到中线的距离为Y，以隧道高度为Z坐标的三维空间坐标系，实现横断面切片和监 测三维点云数据处理。
[0007] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0008] 本发明建立了一种隧道六维坐标系统，包括三维空间的几何形态以及随时间和平 面与铅垂方向的转向坐标轴，为一种六矢量坐标系统，可以用来描述隧道等地下工程的几 何形状与大小，同时可以描述在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化 姿态，该六维坐标系统是三维扫描技术在隧道工程监测处理和应用中的基本工具，特征在 于可以运用软件和计算机准确确定隧道的横断面方向，得到监测断面的准确位置，同时建 立对比模型与分析模型，实现监测点云数据的信息化处理和分析，也可以根据监测所采集 的点云或像元信息挖掘和计算特征点的空间信息，得到隧道等地下工程的位移和净空变化 量，在不丢失监测信息的基础上为隧道等地下工程施工和设计提供了数据更可靠和信息更 全面的依据。
【附图说明】
[0009] 图1隧道六维/三维坐标系统转换图。
[0010] 图中：虚线为隧道测量坐标系；实线为隧道监测坐标系；实线与曲线为隧道监测 六维空间坐标系
【具体实施方式】
[0011] 设隧道中线上已知点大地坐标为屯(Xi, Yi, Zi), Ki+m(xi+m, yi+m, zi+m)和 Ki+n(xi+n, yi+n, zi+n),已知点 Ki+m(xi+m, yi+m, zi+m)的隧道中线里程为 KP+Q，则
[0012] 在大地坐标系中Ki+D1(xi+ni，yi+ni，z i+ni)点坐标方位角为
[0013] a i+m= arctan ((X Rm-Xi) / )
[0014] 在大地坐标系中Ki+n(xi+n, yi+n, zi+n)点坐标方位角为
[0015] a i+m= arctan ((X i+n_xi+m) / (yi+n_yi+m))
[0016] 在大地坐标系中Ki+m(xi+m，yi+m，zi+m)点隧道中线的水平转角（左转角为负，右转角 为正）为
[0017] θ?+ω= a i+m-ai+m
[0018] 在大地坐标系中Ki+ni(xi+ni, yi+ni, zi+D1)点隧道中线的竖向转角（俯转角为负，仰转角 为正）为
[0019] β i+m= arctan ((Z i+n-Zi+m) /sqrt ((yi+n-yi+m) ~2+ (xi+n-xi+m) ~2)
[0020] 在隧道六维坐标系下隧道中线的几何表达式为：
[0021] y = f(Xi，y" ζ" Θ 〇 β " t)
[0022] 在隧道监测坐标系中Ki+n(xi+n，yi+n，z i+n)点的坐标方位角为
[0023] 0i+n= α i+n-ai+m±l80。
[0024] 隧道监测坐标系中Ki+n(xi+n, yi+n, zi+n)点的坐标增量为
【主权项】
1. 一种基于三维点云的隧道监测六维坐标系，其特征在于：该坐标系的实现过程如 下，（1)建立隧道六维监测坐标系：定义隧道中线为一空间几何曲线，几何原点位于隧道中 线上，在隧道六维空间坐标系下隧道中线的几何形态表达式为：y = f (Xi, Yi, Zi, Θ D β D ti)，其中，X，Y，Z为隧道在测量三维几何坐标系下坐标值，Θ隧道中线在某一点i的水平 转角或偏角，β为隧道中线在某一点i的竖向转角或偏角； (2)隧道六维监测坐标系简化为隧道三维监测坐标系，快速得到在特定边界条件下的 监测数据和分析结果：定义在某一时间t，隧道中线的竖向转角和水平转角均为零，可以把 隧道六维空间坐标系统简化为以隧道中线方向为X坐标，以点到中线的距离为Y，以隧道高 度为Z坐标的三维空间坐标系，实现横断面切片和监测三维点云数据处理。
2. 根据权利要求1所述的一种基于三维点云的隧道监测六维坐标系，其特征在于：设 隧道中线上已知点大地坐标为：Ki (Xi, Yi, j Ki+m (xi+m, Υ?+ηι?zi+m) Ki+n(xi+n, yi+n, Zi+n) , 点Ki+ni(xi+ni, yi+D1, zi+J的隧道中线里程为KP+Q，则 在大地坐标系中Ki+m(xi+m, yi+m, zi+m)点坐标方位角为 a i+m= arctan ((x ^m-Xi) / (γ?+ΙΙ1-Υ?)) 在大地坐标系中Ki+n(xi+n,yi+n，zi+n)点坐标方位角为 a i+m= arctan ((x i+n-xi+m) / (yi+n-yi+m)) 在大地坐标系中Ki+ni(xi+ni,yi+ni，zi+ni)点隧道中线的水平转角（左转角为负，右转角为正） 为 θ i+m= Q i+m_ Q i+m 在大地坐标系中Ki+D1(xi+ni，yi+ni，zi+ni)点隧道中线的竖向转角（俯转角为负，仰转角为正） 为 β i+m= arctan ((Z i+n-Zi+m) /sqrt ((yi+n-yi+m) '2+ (xi+n-xi+m) ~2) 在隧道六维坐标系下隧道中线的几何表达式为： y = f (xi； Yi, Zi, Si^i, ti) 在隧道监测坐标系中Ki+n(xi+n, yi+n, zi+n)点的坐标方位角为 θ?+η= α i+n_ai+m 土 180。 隧道监测坐标系中Ki+n(xi+n，yi+n，zi+n)点的坐标增量为
【专利摘要】一种基于三维点云的隧道监测六维坐标系，该坐标系包括三维空间的几何形态以及随时间和平面与铅垂方向的转向坐标轴，该坐标系可以用来描述隧道等地下工程的几何形状与大小，同时可以描述在平面内的变化姿态，铅垂面的变化姿态，以及随时间的变化姿态，该六维坐标系统可以运用软件和计算机准确确定隧道的横断面方向，得到监测断面的准确位置，同时建立对比模型与分析模型，实现监测点云数据的信息化处理和分析，根据监测所采集的点云或像元信息挖掘和计算特征点的空间信息，得到隧道等地下工程的位移和净空变化量，在不丢失监测信息的基础上为隧道等地下工程施工和设计提供了数据更可靠和信息更全面的依据。
【IPC分类】G06F17-50, G06T17-00
【公开号】CN104680580
【申请号】CN201510092310
【发明人】邓洪亮, 姚爱军, 高文学, 李立云
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月2日