[发明专利]一种隧道轴线提取及断面收敛分析方法及装置

权利要求书

1.一种隧道轴线提取及断面收敛分析方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：获取隧道三维点云数据；

S2：根据所述隧道三维点云数据确定起始隧道断面的定位点；

S3：建立所述定位点的邻近图，基于统计特征计算当前位置隧道的主轴方向；

S4：获取当前隧道管片的收敛直径值及所述定位点预设范围内的断面数据；

S5：基于当前定位点确定下一个定位点；执行步骤S3和S4，计算该定位点对应隧道管片的收敛直径值及所述定位点预设范围内的断面数据；以此类推，最终按顺序自动获取所述隧道的所有管片的收敛直径值，定位点预设范围内的断面数据，以及隧道的轴线数据；

所述步骤S2具体包括如下步骤：

S21：基于所述隧道三维点云数据进行主成分分析，计算最大特征值对应的特征向量；其中，所述特征向量的方向即所述起始延伸方向；

S22：基于所述隧道三维点云数据所在坐标系的z轴方向和特征向量的方向，构造初始变换矩阵，将所述隧道三维点云数据变换到新坐标系下；

S23：基于新坐标系下的隧道三维点云数据在三个坐标轴方向的分布，计算起始隧道断面的定位点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S21包括：

对所述隧道三维点云数据进行采样，设定预设个数的随机采样点；

计算所述随机采样点的中心，构造协方差矩阵；

基于SVD分解方法，计算所述协方差矩阵最大特征值对应的特征方向；其中，所述特征方向即为隧道三维点云数据的起始延伸方向。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述随机采样点的中心，构造协方差矩阵，包括：

所述随机采样点的中心其中，p_i∈P_sample，P_sample是采样后的隧道三维点云数据；

所述协方差矩阵其中，是矢量外积符号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S22包括：

基于所述隧道三维点云数据所在坐标系的z轴方向v₂和所述特征向量v₁，利用向量叉乘方法计算新坐标系的x轴方向v₃；

基于所述z轴方向及x轴方向，利用向量叉乘方法，计算新坐标系的y轴方向v′₁；

构造初始变换矩阵，将所述隧道三维点云数据变换到新坐标系下。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述新坐标系的x轴方向：

所述新坐标系的y轴方向：

所述初始变换矩阵：

变换到新坐标系下的隧道三维点云数据

其中，所述v₁是步骤S21中的所述特征向量，所述隧道三维点云数据所在坐标系的z轴方向v₂＝(0，0，1)，P是所述隧道三维点云数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S23包括：

遍历新坐标系下的隧道三维点云数据的坐标值，分别获取三个坐标轴方向的最小值、最大值，分别记为：x_min，x_max，y_min，y_max，z_min，z_max；

定义所述起始隧道断面的定位点p₁坐标为：其中，c表示一个隧道管片的宽度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31：建立所述隧道三维点云数据中每个数据点的k-邻近关系，计算所述k-邻近关系中每个数据点对应的法矢向量；

S32：基于建立的所述k-邻近关系，提取落在以定位点为球心，半径为c/2的球内的数据点，将这些数据点的单位法矢向量投影到一个高斯球上；其中，c表示一个隧道管片的宽度；

S33：基于高斯球上的投影，计算定位点当前位置隧道的主轴方向。