[发明专利]一种盾构隧道表面点云数据分段方法

权利要求书

1.一种盾构隧道表面点云数据分段方法，其特征是包括以下步骤：

(1)盾构隧道点云投影：根据盾构隧道点云整体走向，选择XOY、YOZ或XOZ面中的两个作为投影面，将三维点云转换成二维，简化计算；

(2)边界点提取：在平面内将投影后的二维点云网格化，利用网格提取出点云的上下边界点；

(3)隧道点云分段位置计算：

a)边界点的切线斜率计算：对盾构隧道点云边界邻域拟合，对拟合函数求导计算斜率；

b)分段位置计算：以切线斜率为纵轴建立K-X坐标系，在该坐标系中对切线斜率进行拟合分析，得出拟合直线的交点，交点的横坐标值X即为隧道分段位置，获得两个投影面上隧道点云的分段位置；

(4)对两个投影面上盾构隧道点云分段位置联合处理，完成隧道整体点云数据的分段；

1)获取分段位置坐标：运用步骤(3)求出投影面内上边界各点斜率拟合直线的交点及下边界各点斜率拟合直线的交点，如在XOY面内求出上边界各点斜率拟合直线的交点Q_i及下边界各点斜率拟合直线的交点Q_i'，求出的交点的横坐标轴的值即为隧道分段位置的横坐标值，Q_i、Q_i'对应的边界上的坐标分别为H_i(x_i，y_i)、H_i'(x_i',y_i'),其中i＝0,1,2…且i≤n；n为交点个数；

2)进行第一次分段：点云在直线HiHi'左部为隧道的第一段，点云在直线右部为第二段；若K'＝0则为直线段，否则为曲线段；若不存在K'＝0，说明投影面内点云为曲线段；若K'恒等于0，说明投影面内点云为直线段；

3)将第一次分段结束的点云投影至XOZ面，运用步骤1)、2)方法进行分段，直至所有分段都进行完此工作，最终完成盾构隧道表面点云分段。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道表面点云数据分段方法，其特征是所述步骤a)所提取边界点p(x_p，y_p)的切线斜率计算，包括以下步骤：

1)搜索[x-Δx，x+Δx]范围内的边界点，Δx根据需要进行设置；

2)采用Ransac算法和二次曲线方程拟合步骤1)所提取边界点，曲线拟合的二次曲线方程为：y＝a₀+a₁x+a₂x²；

3)对拟合函数求导计算斜率K，斜率K计算公式为：

对于边界上的所有点均采用上述步骤1)-3)计算斜率。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道表面点云数据分段方法，其特征是所述步骤b)分段位置计算，包括以下步骤：

1)设边界上各点斜率与横坐标值点坐标(X，K)构成集合P，计算集合P中的点的数量num；

2)对集合P中点使用Ransac算法和直线方程进行拟合，拟合所用直线方程为：y＝K'x+b；设置阈值ε₁，计算集合P中每个点到拟合直线的距离d，若dε₁,则该点归为局内点，局内点构成集合P₁，剩下的非局内点构成集合P₂；

3)使用直线方程对P₁进行拟合,得出一条直线斜率K'，并记录；

4)对于非局内点构成的集合P₂，计算P₂中点的数量n，若n小于一定数量时，进入步骤5)，否则对集合P₂中的点使用Ransac算法和直线方程进行拟合；使用阈值ε₁，计算集合P₂中每个点到拟合直线的距离d，若dε₁,则该点归为局内点，否则归为非局内点；清空P₁，局内点构成新的集合P₁；清空P₂，非局内点构成新的集合P₂，进入步骤3)；

5)计算拟合出P₁每次拟合出的直线的交点；

6)结束计算。