隧道三维轮廓整体绝对变形监测方法及系统与流程

本公开属于地下隧道变形监控技术领域，涉及一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着我国经济的快速发展，对交通的需求日益增大，铁路、公路、市政等基础设建设持续进行，隧道工程迎来了新的发展纪元。隧道变形监测对隧道安全控制至关重要。

据发明人了解，传统的隧道变形监测采用的方法是利用测绘仪器进行，利用大地测量方法，根据隧道的设计文件，结合隧道自身的型式、结构、地质和水文确定变形的监测位置，进行定期或不定期的连续监测，从而获取隧道实际的变形情况。这种方法很难及时有效的对隧道的变形情况进行预警，受人为因素干扰较大，因此无法建立起完善的隧道三维轮廓整体变形风险评估体系。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测方法及系统，本公开基于三维激光扫描技术，根据三维激光扫描获得隧道的三维模型从而开展对隧道三维轮廓整体绝对变形的矢量监测，监测结果准确。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测方法，包括以下步骤：

在待扫描区域布设控制网基准网点；

在基准网点进行三维激光扫描观测，得到各个点的三维激光扫描点云数据；

对三维点云数据进行优化处理，将其数据格式进行转换和预处理；

建立三维激光点云模型，对隧道各个特征坐标点进行着色处理，获取到初步的渲染模型结构图，再利用体外孤点对模型中的离散点进行自动化的删除，得到优化后的模型；

将点云建模与实际的隧道情况进行对比，并获取模型偏差数据，并确定隧道出现变形的位置，进行预警。

作为可选择的实施方式，在待扫描区域布设控制网基准网点时，利用隧道测绘工作所标记的基准点，作为激光扫描作业的控制点，每次激光扫描需要保证至少扫描5个以上的基准点。

作为可选择的实施方式，建立三维激光点云模型后，对应模型上的基准点及每点的绝对坐标值，计算扫描仪绝对坐标，获取坐标旋转矩阵，对三维激光点云模型进行坐标转换，由相对坐标接入绝对坐标系。

作为可选择的实施方式，在每次设立站点之后，对部分隧道结构进行重合扫描处理，通过比较重合的公共面、验证监测点位置的云数据，对基准点位置的精度进行确定。

作为可选择的实施方式，在隧道的顶部和底部分别设置一个纸质标靶，在进行三维激光扫描时对纸质标靶位置进行具有针对性的扫描。

作为可选择的实施方式，所述预处理包括对数据进行平滑处理、点云数据拼接、数据去噪和数据去失真；在提取到目标点云数据后，将其它多余的点云数据进行删除，并将目标点云数据分块导出。

作为可选择的实施方式，在得到优化后的模型后，对点云数据进行抽稀处理，设置好适当的采样间隔，利用可视化技术完成对点云模型图像的展现。

一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测系统，包括：

巡检机器人，被配置为在预设的基准网点进行三维激光扫描观测，得到各个点的三维激光扫描点云数据；

数据预处理模块，被配置为对三维点云数据进行优化处理，将其数据格式进行转换和预处理；

点云模型构建模块，被配置为建立三维激光点云模型，对隧道各个特征坐标点进行着色处理，获取到初步的渲染模型结构图，再利用体外孤点对模型中的离散点进行自动化的删除，得到优化后的模型；

预警模块，被配置为将点云建模与实际的隧道情况进行对比，并获取模型偏差数据，并确定隧道出现变形的位置，进行预警。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开通过建立点云模型，去除其中冗余的点云数据，从而提升点云模型的平滑度，再对点云数据进行抽稀处理，设置好适当的采样间隔，利用可视化技术完成对点云模型图像的展现，能够立体的展示隧道内情况，同时也能够根据具体位置的数据变化情况，找出隧道出现变形的位置，通过对数据的比较找出隧道产生变形的具体原因，并推测其后续的变形情况，从而做到对隧道变形情况的预警。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是数据预处理过程示意图；

图2是点云建模过程示意图；

图3是隧道三维矢量变形监测分析结果示意图；

图4是本实施例的流程示意图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本公开提供基于三维激光扫描技术，根据三维激光扫描获得隧道的三维模型从而开展对隧道三维轮廓整体绝对变形的矢量监测方案。

如图4所示，具体包括以下步骤：

1、控制网测量

在进行三维激光扫描作业前，首先要在待扫描区域布设控制网基准网点。利用隧道测绘工作所标记的基准点，作为激光扫描作业的控制点。每次激光扫描工程需保证清晰扫描5个以上的基准点，建立三维激光点云模型后，对应模型上的基准点及每点的绝对坐标值，计算扫描仪绝对坐标，获取坐标旋转矩阵，进一步对三维激光点云模型进行坐标转换，由相对坐标接入绝对坐标系。控制点布设参数详见表1。

表1控制点布设参数表

2、数据采集

根据工程现场地形条件，使用隧道巡检机器人，在隧道两侧设立站点进行三维激光扫描观测。为了方便后续的检核和拼接操作，在每次设立站点之后，都要对部分隧道结构进行重合扫描处理，通过比较重合的公共面、验证监测点位置的云数据，对基准点位置的精度进行确定。在隧道的顶部和底部分别设置一个纸质标靶，在进行三维激光扫描时对纸质标靶位置进行具有针对性的扫描。设置的基准点距离标靶应不大于200米，在后期处理时，通过软件设备自动识别标靶中心所在位置并计算出相应的三维坐标。

3、数据预处理

利用三维激光扫描的点云数据量过大，且由于设备受到自身以及外界环境的影响，在点云数据中有大量冗余或无效数据。在对获取到的点云数据进行处理的过程中，首先要对三维点云数据进行优化处理，将其数据格式进行转换，对数据进行处理，并将处理完成的数据转化为通用格式，再进行优化，见图1，由于工程环境中的光线、温度、湿度等因素的影响，以及在测量过程中出现的设备振动等原因造成点云数据造成了一定影响，因此必须对数据进行前处理，前处理的过程包括平滑处理、点云数据拼接、数据去噪和数据去失真等。利用三维激光扫描相应的处理软件，对各个站点上的三维点云数据信息进行自动的拼接处理，通过系统的自动计算得出误差数值，并对各个站点的拼接精度进行检验，一旦出现问题，应立即采取相应的措施，防止误差的扩大。在提取到目标点云数据后，将其它多余的点云数据进行删除，并将目标点云数据分块导出。

4、点云建模

对数据进行预处理后，将获取到的隧道三维坐标点数据输入到构建数学模型的软件中，完成点云数据的建模(见图2)。通过模型构建软件对隧道各个特征坐标点进行着色处理，获取到初步的渲染模型结构图，再利用体外孤点对模型中的离散点进行自动化的删除，待一系列操作完成后，对整个数学模型降噪处理，去除其中冗余的点云数据，从而提升点云模型的平滑度。再对点云数据进行抽稀处理，设置好适当的采样间隔，利用可视化技术完成对点云模型图像的展现。

5、变形分析

根据测量到的隧道变形测量结果，分析隧道实际的变形情况。利用三维数据比较工具将点云建模与实际的隧道情况进行对比，并获取模型偏差数据(见图3)。根据具体位置的数据变化情况，找出隧道出现变形的位置，通过对数据的比较找出隧道产生变形的具体原因，并推测其后续的变形情况，从而做到对隧道变形情况的预警。由于受到温度和载荷的影响，隧道在不同时间段内发生的在允许范围内的变形，属于正常现象。在发生变形时，若相关的数据变化情况均在合理范围内则判定此时隧道处于稳定状态，若超出范围则需要进行相应的维护措施，保证工程的顺利进行。

还提供以下产品实施例：

一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测系统，包括：

巡检机器人，被配置为在预设的基准网点进行三维激光扫描观测，得到各个点的三维激光扫描点云数据；

数据预处理模块，被配置为对三维点云数据进行优化处理，将其数据格式进行转换和预处理；

点云模型构建模块，被配置为建立三维激光点云模型，对隧道各个特征坐标点进行着色处理，获取到初步的渲染模型结构图，再利用体外孤点对模型中的离散点进行自动化的删除，得到优化后的模型；

预警模块，被配置为将点云建模与实际的隧道情况进行对比，并获取模型偏差数据，并确定隧道出现变形的位置，进行预警。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种隧道三维轮廓整体绝对变形监测方法。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。