一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法与流程
本发明属于隧道监控量测成果可视化技术领域，具体涉及一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法。
背景技术：
地铁盾构隧道在施工期及运营期都需要提供监控量测数据以指导隧道施工及进行安全防护。当前对大型土木工程等领域的监控与变形检测等，有基于人工检测、基于立体视觉检测、基于激光扫描检测等方式。人工检测借助高精度测量仪器，如水准仪、全站仪等，能获得高精度的结果，但存在效率低、劳动强度大等缺点，且成果的自动化数据处理及报表生成都具有一定复杂度；基于立体视觉检测，通过双目相机获取待检测区域的左右图像后，采用阈值分割、特征点检测、提取、立体匹配等，获得待检测对象的轮廓、位置、深度信息，具有灵活性强、成本低等优点，但其受天气，如光照、雨雪等复杂环境的影响较大。激光扫描技术能获得物体表面的大量坐标点云和激光反射率等信息，快速复建物体轮廓，生成物体的灰度图像等，具有速度快、精度高、且受天气变化影响小，鲁棒性强等优势，正逐渐应用到大型工程领域，如地铁隧道检测等。目前基于激光扫描对隧道进行检测通常直接对点云进行算法处理分析，但激光数据处理的软硬件集成度不高，成果的展示不够可视化，不能做到简单易用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，通过建立点云单元文件索引存储，保证大尺度隧道的快速、流畅的浏览，通过获取全断面解算参数进而对隧道全断面解算并建立可视化全断面数据库，将直径收敛、错台错缝、三维位移展示到隧道管片的bim模型上，显示直观，并可以将隧道内的变形监测、施工工况融入隧道，具有可视化、清晰度高、真实性、效率高等效果，无需光照、无需手工建模、视频清晰度高，监测范围全面，实现隧道全断面数据监控量测成果可视化指导、验收和监测，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采集隧道三维点云轮廓：将激光扫描仪架设在移动载体上，设置移动载体的移动速度，并预先设置所述激光扫描仪的扫描分辨和采样频率，利用激光扫描仪的2d断面螺旋扫描模式，覆盖隧道内壁并沿隧道里程方向移动采集隧道内壁带有激光反射率的断面点云，每一个断面点云的扫描点坐标以激光扫描仪仪器中心为圆心，同时，将隧道衬砌管片对应的环号信息与断面点云的扫描点坐标结合，从而获得隧道三维点云轮廓；
步骤二、点云单元文件索引存储：对获得的隧道三维点云轮廓原始点进行分块，建立点云单元文件，并对点云单元文件创建唯一的点云单元文件索引标识，采用阿里云对象存储服务接口标准对隧道三维点云轮廓原始点进行有序存放、共享、备份；
步骤三、点云单元文件可视化：将点云单元文件重采样抽稀并导出为autocad图形文件，将点云单元文件切片可视化；
步骤四、获取全断面解算参数：根据抽稀处理后的点云单元文件对应的反射强度信息，构造抽稀处理后的点云单元文件对应的灰度矩阵，生成对应的初始影像，并由人工标注环缝环号、拼装块接缝位置，从而获得每个扫描断面对应全断面解算参数，所述全断面解算参数包括里程信息、设计直径、分块角度、作业时间、作业顺序和盾构区间名称；
步骤五、隧道全断面解算并建立可视化全断面数据库：对断面点云扫描点进行稳健估计，剔除粗差点，通过圆心拟合和直径收敛处理，获取以隧道断面中心为圆心的断面扫描点坐标和断面直径；由断面直径和分块角度单独拟合圆弧，然后获取对应断面内错台错缝，提取净空收敛变形数据，进行限界检测及全断面解算；
对全断面解算的结果，以分期、分块索引的方式进行结果的存储，并生成断面图形的dwg文件或全断面解算图形的xls报表，按隧道里程或环号序列绘制直径收敛曲线及单环的历时变化曲线，并将直径收敛、错台错缝、三维位移展示到隧道管片的bim模型上，进行可视化显示，建立可视化全断面数据库；
步骤六、生成隧道漫游视频，过程如下：
步骤601、根据移动载体的移动速度和激光扫描仪的采样频率，计算可视化全断面数据库中隧道衬砌管片一环固定长度上断面点云扫描线数理论值，并将断面点云扫描线数理论值与可视化全断面数据库对应隧道衬砌管片一环实际断面点云扫描线数进行比较，对可视化全断面数据库中隧道衬砌管片一环实际断面点云扫描线数不均匀的断面点云扫描线数进行插值处理，获得沿隧道里程方向具有均匀分布的各个断面点云扫描线；
步骤602、根据对应断面点云的反射强度信息，对断面点云的反射强度进行圆心正射投影，获取断面点云中每个扫描点的灰度值；
步骤603、针对每环隧道衬砌管片上各个断面点云扫描线对应的灰度信息构建一个图像灰度矩阵，并添加地理标签，生成隧道衬砌管片各环的正射影像图；
步骤604、选取视角，以人眼为视角，设置视场角fov以及隧道不同位置对应的最近可视距离和最远可视距离，以最远可视距离对应的投影平面作为透视投影的透视投影面，根据公式
从隧道该透视范围内最近可视距离逐渐过渡到最远可视距离，对隧道该透视范围内每一条断面点云扫描线进行透视投影，并将隧道该透视范围内每一条断面点云扫描线在透视投影面内的坐标和灰度信息一一对应，生成一帧透视投影影像；
步骤605、多次循环步骤604，生成可视化全断面数据库对应隧道衬砌管片区间沿隧道里程方向的逐帧的透视投影影像；
步骤606、设置每秒输出的透视投影影像帧数，按照时间顺序，对逐帧的透视投影影像连续输出，生成可视化全断面数据库对应隧道衬砌管片区间沿隧道里程方向且模拟人眼视角的漫游视频；
步骤七、隧道全断面数据监控量测成果可视化：建立盾构远程监控中心，将可视化全断面数据库通过restapi同步至云端服务器，实现长期记录和查询隧道盾构管片的全过程的可视化监控量测成果；将带有地理标签的漫游视频上传至云端服务器，发布为网络地图服务，由盾构远程监控中心进行远程访问，实现隧道全断面数据监控量测成果可视化指导、验收和监测。
上述的一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，其特征在于：步骤七中带有地理标签的漫游视频通过七牛云视频流媒体模块上传至云端服务器。
上述的一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，其特征在于：步骤一中所述激光扫描仪为三维激光扫描仪faro或z+f9012三维激光扫描仪。
上述的一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，其特征在于：步骤三中点云单元文件以1024点/线，及5-10线/秒的抽稀方式间隔重采样抽稀。
上述的一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，其特征在于：步骤604中所述视角为360°任意三维视角，生成一帧透视投影360°任意三维视角影像；步骤606中，按照时间顺序，对逐帧的透视投影影像连续输出，生成沿隧道里程方向且模拟人眼视角的360°任意三维视角漫游视频。
上述的一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，其特征在于：步骤一中所述移动载体的移动速度为3km/h～10km/h；所述激光扫描仪的扫描分辨为3～5；所述激光扫描仪的采样频率为50hz～200hz；步骤606中，设置每秒输出25帧～35帧的透视投影影像。
上述的一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，其特征在于：步骤603中所述地理标签包括隧道衬砌管片环号、里程、变形、病害范围和设施设备；所述病害范围包括点状病害、线状病害和面状病害；步骤604中生成一帧透视投影影像之前，需对生成的隧道衬砌管片各环的正射影像图进行矢量化处理，生成隧道影像专题图。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用激光扫描仪的2d断面螺旋扫描模式，覆盖隧道内壁并沿隧道里程方向移动采集隧道内壁带有激光反射率的断面点云，将隧道衬砌管片对应的环号信息与断面点云的扫描点坐标结合，从而获得隧道三维点云轮廓，无需光照、无需手工建模，通过建立点云单元文件索引存储，保证大尺度隧道的快速、流畅的浏览，便于推广使用。
2、本发明通过获取全断面解算参数进而对隧道全断面解算并建立可视化全断面数据库，将直径收敛、错台错缝、三维位移展示到隧道管片的bim模型上，显示直观，安装激光扫描仪时，不能保证激光扫描仪的仪器中心位于隧道断面的中心，因此需将采集的每一个断面点云的扫描点坐标以激光扫描仪仪器中心为圆心的数据转换至以隧道断面中心为圆心的断面扫描点坐标，实现影像的纠正；根据每个断面点云的激光反射率，获取对应断面点云的反射强度信息，对断面点云的反射强度进行圆心正射投影，生成隧道衬砌管片各环的正射影像图，并从隧道该透视范围内最近可视距离逐渐过渡到最远可视距离，对隧道该透视范围内每一条断面点云扫描线进行透视投影，并将隧道该透视范围内每一条断面点云扫描线在透视投影面内的坐标和灰度信息一一对应，生成一帧透视投影影像，静止的序列影像图像，快速连续的显示，便形成运动的假象，通过设置每秒移动的图像帧数，便可生成漫游视频，逼真展示物体的空间透视形象，直观、清晰、真实且效率高，可靠稳定，使用效果好。
3、本发明方法步骤简单，将可视化全断面数据库通过restapi同步至云端服务器，实现长期记录和查询隧道盾构管片的全过程的可视化监控量测成果；将带有地理标签的漫游视频上传至云端服务器，发布为网络地图服务，由盾构远程监控中心进行远程访问，实现隧道全断面数据监控量测成果可视化指导、验收和监测，便于推广使用。
综上所述，本发明通过建立点云单元文件索引存储，保证大尺度隧道的快速、流畅的浏览，通过获取全断面解算参数进而对隧道全断面解算并建立可视化全断面数据库，将直径收敛、错台错缝、三维位移展示到隧道管片的bim模型上，显示直观，并可以将隧道内的变形监测、施工工况融入隧道，具有可视化、清晰度高、真实性、效率高等效果，无需光照、无需手工建模、视频清晰度高，监测范围全面，实现隧道全断面数据监控量测成果可视化指导、验收和监测，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程框图。
图2为本发明点云单元文件可视化的灰度示意图。
图3为本发明一扫描断面人工标注环缝环号、拼装块接缝的示意图。
图4为本发明一隧道全断面解算中计算错台错缝的示意图。
图5为本发明一隧道衬砌管片区间的正射影像图的灰度示意图。
图6为本发明一帧透视投影影像示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种基于激光扫描数据的隧道监控量测成果可视化方法，包括以下步骤：
步骤一、采集隧道三维点云轮廓：将激光扫描仪架设在移动载体上，设置移动载体的移动速度，并预先设置所述激光扫描仪的扫描分辨和采样频率，利用激光扫描仪的2d断面螺旋扫描模式，覆盖隧道内壁并沿隧道里程方向移动采集隧道内壁带有激光反射率的断面点云，每一个断面点云的扫描点坐标以激光扫描仪仪器中心为圆心，同时，将隧道衬砌管片对应的环号信息与断面点云的扫描点坐标结合，从而获得隧道三维点云轮廓；
本实施例中，步骤一中所述激光扫描仪为三维激光扫描仪faro或z+f9012三维激光扫描仪。
本实施例中，步骤一中所述移动载体的移动速度为3km/h～10km/h；所述激光扫描仪的扫描分辨为3～5；所述激光扫描仪的采样频率为50hz～200hz；步骤606中，设置每秒输出25帧～35帧的透视投影影像。
需要说明的是，利用激光扫描仪的2d断面螺旋扫描模式，覆盖隧道内壁并沿隧道里程方向移动采集隧道内壁带有激光反射率的断面点云，将隧道衬砌管片对应的环号信息与断面点云的扫描点坐标结合，从而获得隧道三维点云轮廓，无需光照、无需手工建模，通过建立点云单元文件索引存储，保证大尺度隧道的快速、流畅的浏览。
步骤二、点云单元文件索引存储：对获得的隧道三维点云轮廓原始点进行分块，建立点云单元文件，并对点云单元文件创建唯一的点云单元文件索引标识，采用阿里云对象存储服务接口标准对隧道三维点云轮廓原始点进行有序存放、共享、备份；
实际使用时，对获得的隧道三维点云轮廓原始点进行分块，建立点云单元文件，并对点云单元文件创建唯一的guid点云单元文件索引标识。
步骤三、点云单元文件可视化：将点云单元文件重采样抽稀并导出为autocad图形文件，将点云单元文件切片可视化；
如图2所示，本实施例中，步骤三中点云单元文件以1024点/线，及5-10线/秒的抽稀方式间隔重采样抽稀，将点云单元文件重采样抽稀并导出为autocad图形文件，将点云单元文件切片可视化。
步骤四、获取全断面解算参数：根据抽稀处理后的点云单元文件对应的反射强度信息，构造抽稀处理后的点云单元文件对应的灰度矩阵，生成对应的初始影像，并由人工标注环缝环号、拼装块接缝位置，从而获得每个扫描断面对应全断面解算参数，所述全断面解算参数包括里程信息、设计直径、分块角度、作业时间、作业顺序和盾构区间名称，如图3所示；
步骤五、隧道全断面解算并建立可视化全断面数据库：对断面点云扫描点进行稳健估计，剔除粗差点，通过圆心拟合和直径收敛处理，获取以隧道断面中心为圆心的断面扫描点坐标和断面直径；由断面直径和分块角度单独拟合圆弧，然后获取对应断面内错台错缝，如图4所示，提取净空收敛变形数据，进行限界检测及全断面解算；
对全断面解算的结果，以分期、分块索引的方式进行结果的存储，并生成断面图形的dwg文件或全断面解算图形的xls报表，按隧道里程或环号序列绘制直径收敛曲线及单环的历时变化曲线，并将直径收敛、错台错缝、三维位移展示到隧道管片的bim模型上，进行可视化显示，建立可视化全断面数据库；
需要说明的是，通过获取全断面解算参数进而对隧道全断面解算并建立可视化全断面数据库，将直径收敛、错台错缝、三维位移展示到隧道管片的bim模型上，显示直观，安装激光扫描仪时，不能保证激光扫描仪的仪器中心位于隧道断面的中心，因此需将采集的每一个断面点云的扫描点坐标以激光扫描仪仪器中心为圆心的数据转换至以隧道断面中心为圆心的断面扫描点坐标，实现影像的纠正；根据每个断面点云的激光反射率，获取对应断面点云的反射强度信息，对断面点云的反射强度进行圆心正射投影，生成隧道衬砌管片各环的正射影像图，并从隧道该透视范围内最近可视距离逐渐过渡到最远可视距离，对隧道该透视范围内每一条断面点云扫描线进行透视投影，并将隧道该透视范围内每一条断面点云扫描线在透视投影面内的坐标和灰度信息一一对应，生成一帧透视投影影像，静止的序列影像图像，快速连续的显示，便形成运动的假象，通过设置每秒移动的图像帧数，便可生成漫游视频，逼真展示物体的空间透视形象，直观、清晰、真实且效率高，可靠稳定。
步骤六、生成隧道漫游视频，过程如下：
步骤601、根据移动载体的移动速度和激光扫描仪的采样频率，计算可视化全断面数据库中隧道衬砌管片一环固定长度上断面点云扫描线数理论值，并将断面点云扫描线数理论值与可视化全断面数据库对应隧道衬砌管片一环实际断面点云扫描线数进行比较，对可视化全断面数据库中隧道衬砌管片一环实际断面点云扫描线数不均匀的断面点云扫描线数进行插值处理，获得沿隧道里程方向具有均匀分布的各个断面点云扫描线；
步骤602、根据对应断面点云的反射强度信息，对断面点云的反射强度进行圆心正射投影，获取断面点云中每个扫描点的灰度值；
步骤603、针对每环隧道衬砌管片上各个断面点云扫描线对应的灰度信息构建一个图像灰度矩阵，并添加地理标签，生成隧道衬砌管片各环的正射影像图，如图5所示，所述隧道衬砌管片各环的正射影像图为geotiff格式的正射影像图，对隧道场景进行更加直观显示，获得具有可量测功能的隧道壁真实现状；
本实施例中，步骤603中所述地理标签包括隧道衬砌管片环号、里程、变形、病害范围和设施设备；所述病害范围包括点状病害、线状病害和面状病害；步骤604中生成一帧透视投影影像之前，需对生成的隧道衬砌管片各环的正射影像图进行矢量化处理，生成隧道影像专题图。
需要说明的是，所述点状病害由隧道内照明灯、配电箱和消防龙头形成；所述线状病害由隧道内线缆、管道、裂缝和逃生安全平台形成；所述面状病害由隧道内渗漏水、混凝土缺陷和碳纤维加固形成，通过arcengine的mapcontrol组件将geotiff格式的正射影像图生成影像金字塔，缩减影像数据大小，且不损失细节，再进行矢量化处理，生成隧道影像专题图。
步骤604、选取视角，以人眼为视角，设置视场角fov以及隧道不同位置对应的最近可视距离和最远可视距离，以最远可视距离对应的投影平面作为透视投影的透视投影面，根据公式
从隧道该透视范围内最近可视距离逐渐过渡到最远可视距离，对隧道该透视范围内每一条断面点云扫描线进行透视投影，并将隧道该透视范围内每一条断面点云扫描线在透视投影面内的坐标和灰度信息一一对应，生成一帧透视投影影像，如图6所示；
步骤605、多次循环步骤604，生成可视化全断面数据库对应隧道衬砌管片区间沿隧道里程方向的逐帧的透视投影影像；
步骤606、设置每秒输出的透视投影影像帧数，按照时间顺序，对逐帧的透视投影影像连续输出，生成可视化全断面数据库对应隧道衬砌管片区间沿隧道里程方向且模拟人眼视角的漫游视频；
本实施例中，步骤604中所述视角为360°任意三维视角，生成一帧透视投影360°任意三维视角影像；步骤606中，按照时间顺序，对逐帧的透视投影影像连续输出，生成沿隧道里程方向且模拟人眼视角的360°任意三维视角漫游视频。
步骤七、隧道全断面数据监控量测成果可视化：建立盾构远程监控中心，将可视化全断面数据库通过restapi同步至云端服务器，实现长期记录和查询隧道盾构管片的全过程的可视化监控量测成果；将带有地理标签的漫游视频上传至云端服务器，发布为网络地图服务，由盾构远程监控中心进行远程访问，实现隧道全断面数据监控量测成果可视化指导、验收和监测。
本实施例中，步骤七中带有地理标签的漫游视频通过七牛云视频流媒体模块上传至云端服务器。
本发明使用时，对全断面解算的结果，以分期、分块索引的方式进行结果的存储，并生成断面图形的dwg文件或全断面解算图形的xls报表，按隧道里程或环号序列绘制直径收敛曲线及单环的历时变化曲线，方便一线作业员工、技术人员、监控人员、业主随时查看和记录监控过程中行程的风险源、过程记录，目前对隧道的视频监控尚不能做到有效的现场状况监控及隧道保护，采用人工建模的方式，需耗费大量人力及时间，本发明直接从激光点云生成漫游视频，极大的减少了传统建模方法中的“管片建模+分块贴图”的人力投入，且能够更直观的反映隧道现状，能够大大降低现场监测的劳动强度，节省运营成本，并适应众多复杂的实际环境，监测范围全面，实现隧道全断面数据监控量测成果可视化指导、验收和监测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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