基于点云数据的隧道监测方案设计及方法研究

发布时间：2020-10-31 20:47

　　 随着我国交通事业的大发展,地铁、铁路、公路等交通设施建设日新月异,隧道工程建设也呈现持续上升状态,其中隧道质量问题成为隧道建设、线路运营的关键因素,为使得人民生命财产安全得到有效保障,对隧道工程进行全生命周期的形变监测具有十分重要的意义。随着三维激光扫描技术的迅速发展,以及所具备测量速度快,持续性好,精度高,可进行三维可视化表达,抗干扰能力强等特点,被广泛应用于三维建模、文物保护和变形监测等领域。将三维激光扫描技术应用于隧道的形变监测中,重点研究点云数据滤波去噪、中轴线提取、隧道连续断面提取、断面形变分析、点云中提取隧道平曲线要素、点云数据多期整体叠加对比分析等关键技术,旨在建立一套完整的点云隧道监测模型,通过点云数据可以更加高效全面的对隧道形变信息进行提取、分析,为隧道工程的监测、验收以及运营维护提供新的途径。本文在点云数据处理和隧道形变信息提取中主要完成以下工作:(1)研究分析三种隧道点云中轴线的提取算法,从这三种提取算法中选取最适合、最高效的中轴线提取算法。从三维点云中提取隧道中轴线是研究隧道变形监测的基础,中轴线可以为后期提取隧道连续断面提供依据,也可以为后期提取隧道平面曲线要素提供基础。(2)对隧道点云按里程进行连续断面提取,并将得到的断面进行坐标转换后投影到XOZ面上采用椭圆模型对断面进行拟合去噪,并对断面的椭圆度、长短半轴、净空收敛值等进行计算分析,分析隧道在空间上的形变量;为更好的分析隧道断面的形变机理,通过RGB颜色变化来表示断面的收敛情况,柱状图表示断面各级形变量所占的比例,折线图表示断面形变趋势,对整个断面的形变进行详细分析。(3)为提取隧道平曲线要素,本文引入曲率特征算法,通过直线、缓和曲线、圆曲线的曲率特征不同对隧道平曲线进行大致分段,根据得到的直线参数和圆曲线参数不断迭代以及运用正交最小二乘法不断优化得到精确的平曲线参数。(4)为使公路隧道点云数据可以进行多期对比分析,本文提出固定基准点法,该方法不仅统一公路隧道点云数据每一期的坐标系,而且还提高了坐标转换的精度。统一坐标系后的点云数据进行叠加,不仅可以对隧道拱顶和底部进行沉降分析,还可以通过规则格网化后对隧道进行整体的叠加分析。将叠加后的结果与点云对比软件Cloudcompare的结果进行对比,结果基本一致。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U456
【部分图文】：

兰州交通大学硕士学位论文技术及隧道监测应用方案设计技术是一种先进的立体扫描技术，是利用三维激，然后由得到的数据点构成待测物体的三维模型过对点云数据的处理，可以重现被扫描物体表面描系统基本原理仪构造主要有扫描棱镜、控制器、计算机处理器激光测距仪，进行均匀角速度扫描，实现自动

图 2.2 三维激光扫描定位原理距离，α为扫描仪测得的水平角，坐标就可表示为：cos coscos sinsinx Sy Sz S 分类照载体和使用范围可以将三维系统、机载型激光扫描系统和车统是将小型扫描仪、GPS 系统、广泛应用于快速获得三维地形数还有一定的技术难题；

图 2.3 机载、车载、便携式、地面式三维激光扫描仪 按扫描原理分类根据三维激光扫描技术的原理可以分为相位式、脉冲式、三角测距式三种扫描系统式扫描系统是基于测量激光信号往返形成的正弦波对应的相位差，间接测出激光间，再根据激光传播速度，求出待测距离，可实现较高的测量精度；脉冲式扫描于全站仪，由激光发射器发射激光脉冲信号，脉冲信号到达物体表面后反射到仪器，通过内部接收器计算物体与仪器的距离和角度，即可得到目标点三维坐标，到空气折射影响，点位精度较低，但是可进行远距离测量；三角法测距是借助三何关系，空间平面三角关系进行计算，适用于近距离扫描，速率快，精度高，例式扫描仪。 扫描仪种类随着近几年三维扫描技术的快速发展，市场上三维激光扫描仪出现多种品牌，各的三维激光扫描仪功能基本上是一致的，但是在测量范围、测量精度、测量速度
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本文编号：2864489