[发明专利]隧道点云高精度快速自动拼接方法

说明书

本发明涉及光信号探测领域，一种隧道点云高精度快速自动拼接方法，包括以下步骤：S1、沿预设距离布置多个测站，相邻两个测站中一个作为参考测站，另一个作为拼接测站，两个测站分别扫描隧道，获取点云数据；S2、求解粗拼接旋转参数；S3、求解粗拼接平移参数；S4、精拼接；通过以上步骤，完成隧道点云数据高精度拼接。通过改进的拼接步骤，实现无需设置人工标记或标靶的方式完成点云的自动拼接。通过简单设备调试和步骤的优化，使隧道点云拼接过程更智能化，降低了人的工作量和人为因素对拼接精度的影响。

技术领域

本发明涉及光信号探测领域，特别是一种隧道点云高精度快速自动拼接方法。

背景技术

隧道作为人类利用地下空间的一种形式，可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道等。许多隧道工程地质复杂、施工难度较高。为了保障施工安全问题，需要对施工工程进行实时监测。隧道建设完成后，为确保其安全平稳运行同样需要进行变形监测，若不及时进行监测将会造成较大的财产损失，甚至造成灾难。传统的隧道变形监测以全站仪、水准仪、收敛计等为主要作业模式，工作效率低，可视化程度低，例如。与传统测量方法相比，三维激光扫描技术是一种更快速、安全有效的监测方法。例如中国专利文献CN 109060821A即提出一种基于激光检测的隧道病害检测方法及隧道病害检测装置。隧道作为一种狭长结构的地下工程，使扫描仪每站获取的有效点云范围较小，需要将许多站点云进行拼接获取隧道整体点云，如图1、2所示。点云拼接就是求解相邻两个测站之间的转换参数，一个测站为参考站，另一个测站为拼接站，求解拼接站坐标系向参考站坐标系转换的参数，即3个平移参数和3个旋转参数，通常不考虑尺度参数。现有的基于点云的隧道形变分析方法中，点云拼接方式多为手动或借助标记点，例如中国专利文献CN 108253925 A。为了提高工作效率，降低人为因素的影响，在《基于三维激光扫描技术的隧道连续断面提取及变形分析》，作者李双中记载了常用拼接算法。点云的自动拼接算法一直是国内外研究的重点，目前存在多种点云自动拼接技术，该技术按所用算法的不同分为有人工辅助的自动拼接和无辅助的自动拼接。有人工辅助的自动拼接方法主要是基于标记点的自动拼接方法，该方法拼接精度高，稳定性强，应用较广泛，由于使用了辅助工具，在实际使用时存在一定的局限性。无辅助的自动拼接方法主要包括基于几何特征的拼接算法、基于图像特征的配准算法和迭代最近点算法(Iterative Closest Point,ICP)。尤其是ICP算法,它能够实现较高的匹配精度，但是该算法无法对初始位置相差较大的点云进行拼接。基于几何特征的拼接算法利用物体特有的几何特征来代替标记点和其它辅助信息来实现点云配准，由于该方法只与物体表面的几何特征有关，所以在对几何形状简单或对称物体进行拼接时稳定性差。基于图像特征的配准算法依靠被测物体表面的纹理来实现拼接，对物体表面纹理有一定要求，在对纹理单一的物体进行测量时，稳定性很差。隧道由于特殊的结构特点，其点云拼接方法与普通点云的拼接方法不完全相同，现阶段针对隧道场景点云的研究主要集中于变形分析和三维建模，隧道点云拼接通常也是选取特征点或借助标靶完成点云拼接，为了提高作业效率，需要有专门针对隧道场景的自动拼接方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道点云高精度快速自动拼接方法，能够在确保隧道点云拼接精度的前提下，大幅提高自动拼接速度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种隧道点云高精度快速自动拼接方法，包括以下步骤：

S1、沿预设距离布置多个测站，相邻两个测站中一个作为参考测站，另一个作为拼接测站，两个测站分别扫描隧道，获取点云数据；

S2、求解粗拼接旋转参数；

依据扫描仪在隧道的实际工作方式，降低粗拼接的旋转变换自由度，只求解绕竖直方向的Z轴的旋转角，将拼接测站的点云以Z轴为旋转轴进行旋转，使拼接测站的点云与参考测站点云沿隧道走向方向大致重合；

S3、求解粗拼接平移参数；