[发明专利]一种基于网格投影点云处理技术的隧道变形监测分析方法

摘要

一种基于网格投影点云处理技术的隧道变形监测分析方法，对于三维激光扫描仪获得的隧道表面点云模型，该方法通过构建隧道设计表面模型并单元网格化处理、单元网格向隧道表面点云模型上投影、投影范围内的点云拟合成平面四边形、平面多边形的形心到隧道中轴线上投影中心的距离计算、单元网格对应区域投影区域点云的变形方向的差异判断、变形监测数据筛选和根据单元网格对应位置变形量的大小将隧道表面设计模型彩色化处理，实现对隧道变形监测的整体性分析和可视化处理，本发明对三维激光扫描仪获取的隧道表面点云模型采用网格投影点云处理技术进行处理，能够识别隧道表面剥离、掉块或附着物影响造成的隧道表面点云变形，避免监测分析错误，隧道设计表面模型单元网格化及变形量可视化处理，便于隧道结构变形进行整体性分析，增强了可视化效果。

主权项

1.一种基于网格投影点云处理技术的隧道变形监测分析方法，对于通过三维激光扫描仪获得的隧道表面点云模型，设计了一种基于网格投影点云处理技术的隧道变形监测分析方法，网格投影点云处理技术是将隧道设计表面模型等分成尺寸相同的多边形单元网格作为投影基准面，再将单元网格在隧道表面点云模型上投影范围内的点云拟合成一个平面四边形，同一投影范围不同时期的点云拟合得到平面多边形的形心到隧道中轴线上投影中心的距离之差作为在所述投影位置隧道的变形量，根据上述单元网格对应投影区域点云的变形与其四周相邻的四个单元网格对应区域投影区域点云的变形方向的差异对判断结果进行筛选，根据单元网格对应位置变形量的大小赋予其不同的色彩而得到更加直观的彩色隧道表面设计模型，进而实现对隧道变形监测的整体性分析，其特征在于：一、由隧道设计中轴线、设计横断面建立隧道设计表面模型；二、将隧道设计中轴线和隧道设计表面模型等分成长度为d的m段，d是介于0.01米～0.1米之间的一个特定长度值，再将隧道设计表面模型沿隧道设计横断面从左侧隧道边墙底部顺时针环向等分为角度为α的n段，α是介于0°～2°之间一个特定角度值，此时隧道设计表面模型等分为m×n个单元网格，沿隧道设计中轴线方向有m行网格，沿设计横断面逆时针环向有n列网格，以单元网格所在的行列号进行编号将单元网格命名为[Wi，j](其中i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n)，m和n为自然整数；三、以隧道中轴线上第i个等分段的中心为投影中心Oi(其中i＝1，2…m)、单元网格[Wi，j](其中i＝1，2…m，j＝1，2…n)为投影基准面进行投影，单元网格[Wi，j]在第k期隧道表面点云模型投影范围为[Pi，j，k](其中i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n，k＝1，2，...，o，共有o期隧道扫描点云数据)；合，能够得到一个平面四边形为[NPi，j，k](其中i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n，k＝1，2，...，o)，对应有第1期投影面[Pi，j，1]范围点云拟合的平面四边形为[NPi，j，1]，第2期投影面[Pi，j，2]范围点云拟合的平面四边形为[NPi，j，2]，第[k‑1]期投影面[Pi，j，k‑1]范围点云拟合的平面四边形为[NPi，j，k‑1]，第k期投影面[Pi，j，K]范围点云拟合平面四边形为[NPi，j，K]；五、投影中心Oi至拟合平面四边形[NPi，j，1]、[NPi，j，2]、...、[NPi，j，k‑1]、[NPi，j，k]的距离分别为[di，j，1]、[di，j，2]、...、[di，j，k‑1]和[di，j，k]，则有隧道设计表面模型中单元网格[Wi，j]投影范围对应区域第2期相对第1期隧道结构变形量为[Δi，j，2]＝[di，j，2]‑[di，j，1]，隧道设计表面模型中单元网格[Wi，j]投影范围对应区域第k期相对第[k‑1]期隧道结构变形量为[Δi，j，k]＝[di，j，k]‑[di，j，k‑1]，若[Δi，j，k]＜0即[di，j，k]＜[di，j，k‑1]，则单元网格[Wi，j]投影范围内隧道为向内收缩变形；同理可以求出隧道设计表面模型中单元网格[Wi‑1，j]投影范围对应区域第k期相对第[k‑1]期隧道结构变形量[Δi‑1，j，k]、隧道设计表面模型中单元网格[Wi+1，j]投影范围对应区域第k期相对第[k‑1]期隧道结构变形量[Δi+1，j，k]、隧道设计表面模型中单元网格[Wi，j‑1]投影范围对应区域第k期相对第[k‑1]期隧道结构变形量[Δi，j‑1，k]和隧道设计表面模型中单元网格[Wi，j+1]投影范围对应区域第k期相对第[k‑1]期隧道结构变形量[Δi，j+1，k]；比较隧道设计表面模型中单元网格[Wi，j]投影范围对应区域第k期相对第[k‑1]期隧道结构变形与周边相邻的单元网格投影范围内隧道结构变形方向是否一致，若[Δi，j，k]×[Δi‑1，j，k]＜0且[Δi，j，k]×[Δi+1，j，k]＜0且[Δi，j，k]×[Δi，j‑1，k]＜0且[Δi，j，k]×[Δi，j+1，k]＜0，则单元网格[Wi，j]投影范围[Pi，j，k]内点云在第k期变化方向与相邻四周单元网格投影范围内点云的变化方向不一致，则可判断单元网格[Wi，j]投影范围内隧道表面的第k期变形并非由隧道结构变形引起，将[di，j，k]对应的监测数据剔除，不在作为第k期的有效变形监测数据；当单元网格[Wi，j]时，则只比较单元网格[Wi，j]与相邻的三个单元网格投影范围内隧道结构变形方向是否一致即可；六、将第k期相对第[k‑1]期所有单元网格的隧道结构变形量[Δi，j，k](i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；)，按照大小进行排列，建立变形量和色阶的对应正比关系，根据单元网格对应的色阶值，制作隧道设计表面模型色阶图，实现隧道结构变形可视化。