基于隧道水平中线的全局断面提取及形变分析
发布时间：2021-10-22 08:43
针对如何使用三维点云数据对隧道进行横断面自动化提取与形变分析这一研究热点,提出一种基于隧道水平中线的横断面信息自动提取及形变分析方法。首先将点云进行水平投影提取出水平中线,考虑到隧道附属物及点云缺失等情况对中线提取精度的影响,采用滑动窗口稳健拟合方法提取出准确中线;然后利用水平中线进行隧道横断面提取并拟合出中轴点;最后依据中轴点及设计值计算隧道各部位的径向位移量,通过可视化渲染即可直观地表述隧道整体变形情况。通过实验表明:（1）随着隧道长度的增加,传统的整体拟合法在拟合隧道中线时误差逐渐增大,而滑动窗口稳健拟合法误差则趋于平稳;（2）滑动窗口稳健拟合法可有效规避障碍物遮挡造成的水平中线偏差;（3）根据空间圆模型拟合出隧道横断面参数后,依据隧道径向位移使用RGB颜色分量对点云进行渲染可较好地反映隧道变形情况,为隧道变形监测工作提供基础依据。
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
点云XOY平面投影示意图Fig.1ProjectiondiagramofpointcloudonXOYplaneb3.88623.88613.88602.23972.23982.23992.2400Y/(10m)
第39卷第11期徐飞等：基于隧道水平中线的全局断面提取及形变分析2299126124122120118116114112110108767880828486889092x/my/m图3根据边界点提取中线Fig.3Extractionofcenterlineaccordingtotheboundary及降噪，栅格的大小可根据点云密度进行设置。然后选取一侧边界的点A，结合KD-tree搜索另一侧边界中的最近点B，此时可认为直线AB垂直于两条边界，两点的中点C即为中线点。依次遍历所有左边的点云进行计算，即可得到初始水平中线。2.2滑动窗口稳健拟合中线原理在短距离隧道中，依据边界提取中线的误差较小；但在长距离弯曲隧道中，上述过程求得中线则将会出现偏差，因此需要对中线进行多项式拟合。传统方法对中线进行多项式整体拟合，如：二阶多项式；在短距离隧道中能够满足精度要求，如图4(a)所示；但在长距离隧道中将出现较大误差，如图4(b)所示；因此本文采用滑动窗口稳健拟合法对中线进行拟合。如图5所示，将1P，2P，3P，4P构成窗口1，2P，3P，4P，5P构成窗口2，3P，4P，5P，6P构成窗口3，以此类推，结合最小二乘方法进行局部曲线拟合。单个窗口所包含的点数、多项式阶数可根据实际工程需要设置。《铁路隧道设计规范》(TB10003—2016)指出：隧道内的线路宜设计为直线，当因地形、地质等条件限制必需设计为曲线时，(a)整体拟合法(较短距离)(b)整体拟合法(较长距离)图4中线偏差Fig.4Midlinedeviation宜采用较大的曲线半径，慎用最小曲线半径，并宜将曲线设在洞口附近，隧道内不应设置反向曲线。《公路隧道设计规范》(TB10003—2016)指出：当隧道设为曲线时，不宜采用设超高?
窗口的选取Fig.5Windowselection1P1P4P6
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于中轴线拟合的隧道点云去噪研究[J]. 王井利,李华健,王挥云. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]全站扫描点云支持下的铁路隧道横断面快速提取及变形分析[J]. 王龙飞,胡海峰,廉旭刚. 测绘通报. 2019(05)
[3]基于圆柱多段拟合的隧道中轴线提取方法研究[J]. 荆海峰,李广云,王力,杨文锋. 大地测量与地球动力学. 2018(02)
[4]基于三维点云的隧道全局中线提取方法及应用[J]. 程云建,仇文革,雷劲. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(09)
[5]一种真圆型隧道激光扫描断面变形检测新方法的研究[J]. 尤相骏,成俊. 隧道建设. 2017(07)
[6]基于激光点云的隧道超欠挖检测方法研究[J]. 许磊,王长进. 铁道工程学报. 2016(12)
[7]基于椭圆柱面模型的隧道点云滤波方法[J]. 卢小平,朱宁宁,禄丰年. 武汉大学学报(信息科学版). 2016(11)
[8]基于中轴线的隧道点云去噪算法[J]. 程效军,贾东峰,刘燕萍,程小龙. 同济大学学报(自然科学版). 2015(08)
[9]基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法[J]. 谢雄耀,卢晓智,田海洋,季倩倩,李攀. 岩石力学与工程学报. 2013(11)
[10]基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究[J]. 王令文,程效军,万程辉. 工程勘察. 2013(07)
硕士论文
[1]基于三维激光扫描技术的隧道连续断面提取及变形分析[D]. 李双.长安大学 2015
[2]三维激光扫描技术在隧道工程监测中的应用研究[D]. 胡琦佳.西南交通大学 2013
本文编号：3450753
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
点云XOY平面投影示意图Fig.1ProjectiondiagramofpointcloudonXOYplaneb3.88623.88613.88602.23972.23982.23992.2400Y/(10m)
第39卷第11期徐飞等：基于隧道水平中线的全局断面提取及形变分析2299126124122120118116114112110108767880828486889092x/my/m图3根据边界点提取中线Fig.3Extractionofcenterlineaccordingtotheboundary及降噪，栅格的大小可根据点云密度进行设置。然后选取一侧边界的点A，结合KD-tree搜索另一侧边界中的最近点B，此时可认为直线AB垂直于两条边界，两点的中点C即为中线点。依次遍历所有左边的点云进行计算，即可得到初始水平中线。2.2滑动窗口稳健拟合中线原理在短距离隧道中，依据边界提取中线的误差较小；但在长距离弯曲隧道中，上述过程求得中线则将会出现偏差，因此需要对中线进行多项式拟合。传统方法对中线进行多项式整体拟合，如：二阶多项式；在短距离隧道中能够满足精度要求，如图4(a)所示；但在长距离隧道中将出现较大误差，如图4(b)所示；因此本文采用滑动窗口稳健拟合法对中线进行拟合。如图5所示，将1P，2P，3P，4P构成窗口1，2P，3P，4P，5P构成窗口2，3P，4P，5P，6P构成窗口3，以此类推，结合最小二乘方法进行局部曲线拟合。单个窗口所包含的点数、多项式阶数可根据实际工程需要设置。《铁路隧道设计规范》(TB10003—2016)指出：隧道内的线路宜设计为直线，当因地形、地质等条件限制必需设计为曲线时，(a)整体拟合法(较短距离)(b)整体拟合法(较长距离)图4中线偏差Fig.4Midlinedeviation宜采用较大的曲线半径，慎用最小曲线半径，并宜将曲线设在洞口附近，隧道内不应设置反向曲线。《公路隧道设计规范》(TB10003—2016)指出：当隧道设为曲线时，不宜采用设超高?
窗口的选取Fig.5Windowselection1P1P4P6
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于中轴线拟合的隧道点云去噪研究[J]. 王井利,李华健,王挥云. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]全站扫描点云支持下的铁路隧道横断面快速提取及变形分析[J]. 王龙飞,胡海峰,廉旭刚. 测绘通报. 2019(05)
[3]基于圆柱多段拟合的隧道中轴线提取方法研究[J]. 荆海峰,李广云,王力,杨文锋. 大地测量与地球动力学. 2018(02)
[4]基于三维点云的隧道全局中线提取方法及应用[J]. 程云建,仇文革,雷劲. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(09)
[5]一种真圆型隧道激光扫描断面变形检测新方法的研究[J]. 尤相骏,成俊. 隧道建设. 2017(07)
[6]基于激光点云的隧道超欠挖检测方法研究[J]. 许磊,王长进. 铁道工程学报. 2016(12)
[7]基于椭圆柱面模型的隧道点云滤波方法[J]. 卢小平,朱宁宁,禄丰年. 武汉大学学报(信息科学版). 2016(11)
[8]基于中轴线的隧道点云去噪算法[J]. 程效军,贾东峰,刘燕萍,程小龙. 同济大学学报(自然科学版). 2015(08)
[9]基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法[J]. 谢雄耀,卢晓智,田海洋,季倩倩,李攀. 岩石力学与工程学报. 2013(11)
[10]基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究[J]. 王令文,程效军,万程辉. 工程勘察. 2013(07)
硕士论文
[1]基于三维激光扫描技术的隧道连续断面提取及变形分析[D]. 李双.长安大学 2015
[2]三维激光扫描技术在隧道工程监测中的应用研究[D]. 胡琦佳.西南交通大学 2013
本文编号：3450753
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