一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测方法及系统与流程

本发明属于隧道检测领域，具体涉及一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测方法及系统。

背景技术：

我国建成投入使用的隧道越来越多，隧道的日常维护及检测工作也越来越多，随着隧道的运营，隧道结构容易出现裂缝、错台、渗水等隧道缺陷，严重影响了隧道的结构性能和安全性。对隧道缺陷检测，传统人工测量使用目测及全站仪等手段，存在检测工作强度大、效率低下、精度不足等缺点，严重影响了隧道的正常运营。

因此需要一种简单方便、高效率、高精度的方法及系统检测隧道缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测方法及系统，通过相机获取图像，识别隧道表面缺陷的类别以及位置；通过激光扫描仪获取点云数据，建立隧道的三维模型以及对隧道缺陷定量化计算。

为了实现上述目的，本发明提供了一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测方法，包括以下步骤：

步骤一：激光扫描仪和相机通过旋转平台分别获取隧道三维点云数据和隧道表面图像；

步骤二：对隧道点云数据和隧道表面图像分别进行预处理；

步骤三：将获取的隧道点云数据和隧道表面图像分别转换到同一大地坐标系下；

步骤四：进行隧道点云数据的三维重构；

步骤五：对大地坐标系下的隧道点云数据进行隧道中轴线计算；

步骤六：对隧道表面图像进行处理，识别隧道裂缝、渗水等缺陷，并计算隧道表面缺陷在整个大地坐标系中的位置；

步骤七：根据隧道缺陷的位置，使用三维点云数据定量化计算隧道缺陷中的裂缝深度、隧道管片错台量、隧道超欠挖量等；

步骤八：将隧道表面缺陷的检测结果与重构模型相融合。

其中，在检测车进入隧道前使用全站仪对检测车进行定位，设定隧道开始的截面中心为隧道大地坐标系原点，隧道开始截面为xoy面，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，隧道前进方向为z轴。

步骤一中相机获取图像时，要求相邻两张图像重叠区域在50％以上，确保使用图像进行三维重构时的精度。

步骤二中对隧道三维点云数据进行去噪、排序、匹准等点云预处理，对拍摄的图像进行灰度化、去噪等图像预处理。

步骤三中根据相机拍摄图像时的位置信息，将每一张图像中隧道表面特征转换到隧道大地坐标系；激光扫描仪先获取一环的隧道三维点云数据，再根据激光扫描仪所处隧道的位置，将三维点云数据转换到与相机相同的大地坐标系。

步骤四中运用泊松曲面重构的方法对隧道点云数据进行三维重构，建立隧道三维模型，达到可视化效果。

步骤五中将隧道三维点云数据投影到xoz面及yoz面上，提取xoz面和yoz面点云的边界线，计算两个平面中边界线的中线，结合两条中线在各自平面中的坐标，计算得到整个隧道的中轴线。

步骤六中对获取的每一张图像进行隧道缺陷的识别，若图像中识别出隧道缺陷，则定位这张图像中隧道缺陷在大地坐标系下的位置。

步骤七中根据隧道类型进行隧道缺陷类型识别，若隧道是tbm隧道，识别图像中的隧道裂缝，截取隧道点云在大地坐标系下的隧道裂缝范围，在此范围中计算各点到隧道中轴线的实际半径距离，用隧道的实际半径减去理论半径计算裂缝的最大深度，并且计算其超挖量；

若隧道是盾构隧道，识别并定位图像中的管片接缝，拾取管片接缝两边各一点，计算两点到隧道中轴线的距离，并计算两距离的差值，其差值为隧道管片的错台量。

步骤八中将图像中的隧道缺陷在隧道三维模型中进行可视化处理：将隧道中每一处隧道缺陷的图像进行拼接，并根据每一处隧道缺陷的坐标将其插入隧道三维模型，实现隧道表面缺陷的检测结果与重构模型相融合；在三维模型中的隧道缺陷位置标出其量化信息，包括：隧道裂缝特性、隧道管片错台量、隧道超欠挖量等。

本发明还提供了一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测系统，所述系统包括：

用于承载设备的车体；

用于提供动力的步进电机；

用于调整旋转平台高度的高度调节装置；

用于获取点云数据的激光扫描仪；

用于获取隧道图像的相机；

用于带动激光扫描仪和相机运动的旋转平台；

用于处理数据的工控机。

其中，车体的车轮可根据所检测隧道类型更换，若被检测隧道为轨道隧道，则车轮为轨道车轮；若被检测隧道为公路隧道，则车轮为汽车轮胎。

车轮使用步进电机驱动，并在车轮轴安装旋转编码器，通过旋转编码器计算检测车前进的距离，确定检测车所处隧道位置；根据检测车所处隧道位置，将每次获取的点云数据和图像转换到大地坐标系。

高度调节装置主体为液压缸，根据不同隧道截面尺寸调整旋转平台的高度，使旋转平台的高度处于隧道截面中心位置。

旋转平台带动激光扫描仪和相机进行360°旋转，旋转平台工作时，相机连续拍摄隧道表面的图像，相邻两张图像的重叠区域在50％以上，拍摄频率由图像重叠区域决定；根据旋转平台中的旋转编码器的信息，将激光扫描仪获取的点云数据转换成三维点云数据，并记录相机拍摄全部图像所处隧道截面的角度。

本发明提供了一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测方法及系统，通过相机和激光扫描仪的结合，获取隧道表面特征，快速识别裂缝、渗水、错台等隧道缺陷，并对隧道缺陷进行定量化检测。

附图说明

图1是本发明所述的一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测方法的流程示意图；

图2是本发明所述的一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测系统的结构示意图；

附图标记说明

1车体2步进电机

3车轮4高度调节装置

5激光扫描仪6相机

7旋转平台8工控机

具体实施方法

以下结合附图对本发明的实施方式及具体系统进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的实施方式及具体系统仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明所述的一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测方法的流程示意图，如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤一：激光扫描仪和相机通过旋转平台分别获取隧道三维点云数据和隧道表面图像；

步骤二：对隧道点云数据和隧道表面图像分别进行预处理；

步骤三：将获取的隧道点云数据和隧道表面图像分别转换到同一大地坐标系下；

步骤四：进行隧道点云数据的三维重构；

步骤五：对大地坐标系下的隧道点云数据进行隧道中轴线计算；

步骤六：对隧道表面图像进行处理，识别隧道裂缝、渗水等缺陷，并计算隧道表面缺陷在整个大地坐标系中的位置；

步骤七：根据隧道缺陷的位置，使用三维点云数据定量化计算隧道缺陷中的裂缝深度、隧道管片错台量、隧道超欠挖量等；

步骤八：将隧道表面缺陷的检测结果与重构模型相融合。

其中，在检测车进入隧道前使用全站仪对检测车进行定位，设定隧道开始的截面中心为隧道大地坐标系原点，隧道开始截面为xoy面，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，隧道前进方向为z轴。

步骤一中相机获取图像时，要求相邻两张图像重叠区域在50％以上，确保使用图像进行三维重构时的精度。

步骤二中对隧道三维点云数据进行去噪、排序、匹准等点云预处理，对拍摄的图像进行灰度化、去噪等图像预处理。

步骤三中根据相机拍摄图像时的位置信息，将每一张图像中隧道表面特征转换到隧道大地坐标系；激光扫描仪先获取一环的隧道三维点云数据，再根据激光扫描仪所处隧道的位置，将三维点云数据转换到与相机相同的大地坐标系。

步骤四中运用泊松曲面重构的方法对隧道点云数据进行三维重构，建立隧道三维模型，达到可视化效果。

步骤五中将隧道三维点云数据投影到xoz面及yoz面上，提取xoz面和yoz面点云的边界线，计算两个平面中边界线的中线，结合两条中线在各自平面中的坐标，计算得到整个隧道的中轴线。

步骤六中对获取的每一张图像进行隧道缺陷的识别，若图像中识别出隧道缺陷，则定位这张图像中隧道缺陷在大地坐标系下的位置。

步骤七中根据隧道类型进行隧道缺陷类型识别，若隧道是tbm隧道，识别图像中的隧道裂缝，截取隧道点云在大地坐标系下的隧道裂缝范围，在此范围中计算各点到隧道中轴线的实际半径距离，用隧道的实际半径减去理论半径计算裂缝的最大深度，并且计算其超挖量；

若隧道是盾构隧道，识别并定位图像中的管片接缝，拾取管片接缝两边各一点，计算两点到隧道中轴线的距离，并计算两距离的差值，其差值为隧道管片的错台量。

步骤八中将图像中的隧道缺陷在隧道三维模型中进行可视化处理：将隧道中每一处隧道缺陷的图像进行拼接，并根据每一处隧道缺陷的坐标将其插入隧道三维模型，实现隧道表面缺陷的检测结果与重构模型相融合；在三维模型中的隧道缺陷位置标出其量化信息，包括：隧道裂缝特性、隧道管片错台量、隧道超欠挖量等。

图2是本发明所述的一种隧道成型质量及其缺陷的定量化检测系统的结构示意图，如图2所示，该装置包括：用于承载设备的车体1；用于提供动力的步进电机2；用于检测车移动的车轮3；用于调整旋转平台高度的高度调节装置4；用于获取点云数据的激光扫描仪5；用于获取隧道图像的相机6；用于带动激光扫描仪5和相机6运动的旋转平台7；用于处理数据的工控机8。

其中，车体1的车轮3可根据所检测隧道类型更换，若被检测隧道为轨道隧道，则车轮3为轨道车轮，其轨道是掘进机施工时铺设的材料运输车轨道；若被检测隧道为公路隧道，则车轮3为汽车轮胎。

车轮3使用步进电机2驱动，并在车轮轴安装旋转编码器，通过旋转编码器计算检测车前进的距离，确定检测车所处隧道位置；根据检测车所处隧道位置，将每次获取的点云数据和图像转换到大地坐标系。

高度调节装置4主体为液压缸，根据不同隧道截面尺寸调整旋转平台7的高度，使旋转平台7的高度处于隧道截面中心位置。

旋转平台7通过悬臂梁固定在高度调节装置4上，旋转平台7在车体1的后方伸出，旋转平台7上安装一台激光扫描仪5和一部相机6，旋转平台7上的激光扫描仪5和相机6在水平面上相距车体1一定的距离，避免车体1影响激光扫描仪5和相机6获取隧道底部的点云数据和图像；旋转平台7带动激光扫描仪5和相机6进行360°旋转，旋转平台工作时，相机6连续拍摄隧道表面的图像，相邻两张图像的重叠区域在50％以上，拍摄频率由图像重叠区域决定；根据旋转平台7中的旋转编码器的信息，将激光扫描仪5获取的点云数据转换成三维点云数据，并记录相机6拍摄每一张图像所处隧道截面的角度。

以上结合附图详细描述了本发明的优选方法及实施系统，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。