基于激光掃描點云的隧道斷面提取方法

紀思源,王同合,張國龍,李 敏

(信息工程大學，河南 鄭州 450000)

基于激光掃描點云的隧道斷面提取方法

紀思源,王同合,張國龍,李 敏

(信息工程大學，河南 鄭州 450000)

傳統斷面測量方法存在效率低、精度差等特點，為優化斷面測量方法，提出利用地面激光點云提取斷面的方法。其主要包括：中軸線擬合、點云分割、斷面提取三步驟。在基于點云雙向投影確定初始中軸線的基礎上，運用弦高偏移算法，提取骨架特征拐點，對中軸線分段再次擬合，獲取二次中軸線；點云分割是基于隧道中軸線進行的，對隧道的點云數據進行連續分割，對截取的斷面進行橢圓擬合。實驗表明，通過此方法快速提取中軸線上任意位置的斷面。

雙向投影；弦高偏移；中軸線擬合；斷面提取

近幾年，地面三維激光掃描技術憑借快速、高精度、無接觸測量的掃描測量方式，實現目標對象面數據的快速采集，廣泛應用于地形勘測、古建筑文物保護、數字城市等領域[1-4]，在地下隧道工程領域得到廣泛的應用[5-7]。

目前在隧道斷面測量中，普遍采用全站儀、斷面儀、測量機器人等測量設備,測量機器人與編程計算器配套使用[8],通過控制軟件，或者PDA控制數據采集，如TM隧道斷面測量系統[9]，文獻[10]利用車載相位式激光測距裝置對隧道內壁進行連續測量以檢測其形變狀態的方法。以上常規斷面測量方式監測點數量有限，監測時間長，無法全面反映隧道斷面變形，隧道內光線、視距等作業條件限制，在測量效率、精度等方面具有一定的局限性。相比傳統單點式測量手段，三維激光掃描技術更加全面采集目標數據。文獻[11]運用最小二乘法和隨機采樣一致性算法擬合隧道中軸線和斷面，文獻[12]和[13]提出隧道點云斷面連續提取的方法，并對兩期斷面進行形變分析。以上利用點云提取斷面的方法，考慮到掃描儀的測距和單點精度，在距離測站較遠時，擬合的中軸線易出現偏差影響斷面擬合精度。

針對上述情況，本文利用地面三維激光掃描儀獲取隧道內部點云數據，通過點云雙向投影，搜索上下邊界擬合二次曲線求平均值，得到隧道初始中軸線，在此基礎上，設計弦高偏移算法，提取初始中軸線上的骨架特征點，對中軸線分段擬合得到第二次軸線；基于二次軸線對隧道點云分割，對某一位置的分割點云，投影到該處的法平面上，擬合得到該點的斷面。實驗證明該方法可以實現對隧道斷面任意位置處的斷面提取。

1 實現方法

1.1 中軸線提取

通過雙向投影將空間三維點云轉換到二維平面上，能夠更直觀反映出隧道在水平和垂直方向上的變化，根據隧道點云的空間特點，將其分別向XOY、XOZ兩個平面方向投影見圖1。

圖1 雙向投影

投影后的平面點云邊界部分可用于中軸線[12]，邊界可以借助Delaunay三角網求得[14-16]。Delaunay三角網邊界提取的計算原理：在進行構網的過程中，每條邊都使用三角形的兩個頂點進行驗算，記錄頂點坐標；如果在整個計算過程中，這條邊只出現一次，說明這兩個頂點確定的一條邊沒有被其他三角形共有，保存這兩個頂點坐標；如果出現兩次，說明兩個頂點確定的一條邊被兩個三角形共有，若這條邊在整個三角網內部，將其排除[17]。

將提取的上、下邊界點云進行多項式曲線擬合：

f(x)=p1xn+p2xn-1+…+pnx+pn+1=PXT.

(1)

其中：P=[p1p2…pnpn+1]，XT=[xnxn-1…x2x1]。

點云在兩個平面內的投影邊界多項式為

(2)

聯合上下邊界曲線，取均值作為隧道的初始中軸線：

(3)

根據曲線的長度和曲率，對中軸線進行初步插值，初步插值點作為中軸線的初始控制點,插值點數根據需要設定。為了更精確地表達中軸線形狀，對于曲率變化較大區域，根據式(6)求得過相鄰初始控制點間的空間直線夾角，判斷局部區域的曲率，進一步加密細化。

設過初始控制點l1的切線方程:

u1=l1i+m1j+n1k.

(4)

過初始控制點l2的切線方程：

u2=l2i+m2j+n2k.

(5)

則兩空間直線方向矢量夾角θ為

(6)

在狹長的空間環境，若采用多項式整體擬合中軸線會出現偏差[18]，針對這種情況，本文提出了利用弦高偏移算法判斷中軸線上的初始控制點及加密點是否為特征點，分段擬合中軸線。即通過計算一點到線段的距離，判斷其是否大于給定的弦高閾值，如果大于弦高閾值則認為該點為特征拐點見圖2。該算法的步驟：

1)設定弦高閾值εh，從圖2中的第一點p0開始，計算弦p0p1p2的弦高，即h1

2) 如果p1是特征拐點，則計算p1p2p3的弦高；如果不是，則計算弦p0p2p3的弦高。

3)按照此方法，循環計算到中軸線的最后一個點為止，不滿足弦高要求的點予以刪除。

圖2 弦高偏移算法原理

其中:pi(i=0,1,2，…)是由初始控制點和加密點按照下標排序組成的點集。弦高閾值εh太大會導致提取的骨架特征點數目較少，數值太小會導致提取的骨架特征點數目太多。假設pi點集都是骨架特征點，每個點的弦高用hi(i=1,2，…，n)表示：

n.

(7)

1.2 點云分割

f′(x)=np1xn-1+(n-1)p2xn-2+…+

(8)

根據中軸線該點的法向量，則過該點的法平面方程為

x-xi+y′(y-yi)+z′(z-zi)=0.

(9)

根據法平面方程，截取距離該法平面一定厚度閾值d的點云[12]，用點集Φ(xiyizi)表示：

(10)

將搜索切割后的點云投影到法平面上得到平面點云數據。

(11)

其中：k為原點到該法平面的距離,k為

1.3 斷面截取

(12)

式中：Rθ，Rβ分別為繞z軸和y軸的旋轉矩陣，表示為

2 實驗與分析

本實驗數據采集于鄭州市某地鐵隧道，儀器采用Riegl-vz400掃描儀和Leica TC1201全站儀，掃描儀標稱掃描距離600 m、100 m;單點掃描精度3 mm,激光發射頻率300 000點/s,掃描視場水平方向360°，垂直方向100°；TC1201全站儀測角精度1 s，測距精度 ±(2 mm+2×10-6D)。圖3所示區間長度為35.968 m的隧道點云三視圖，數據原始點云包含有1 117 467個點，濾波后包含223 494個點。

如圖4所示提取XOZ平面點云邊界，從圖4中可以看出隧道在水平和垂直面內的走向。

本文采用5次多項式對邊界點云進行擬合，用f1，f2，f3，f4分別表示XOY，XOZ的上、下邊界點云擬合的多項式函數。在截取的隧道區間段點云，曲率變化較小，根據式(7)，設置εh=6 cm。擬合的多項式參數如表1所示。

圖3 點云三視圖

圖4 邊界點云

表1 邊界點云多項式擬合 m

根據式(3)即可得到隧道的中軸線。圖5分別為提取X=6 m、8 m、10 m的厚度d=2 cm的斷面，每個斷面平均耗時2.5 s，相對于常規測量方法，在效率方面有較大地提高。

圖5 不同位置處斷面

在上述斷面位置架設全站儀，每個斷面上測量30個點，按照最小二乘法擬合斷面[18]，擬合結果和點云擬合結果比對，用(Xc,Yc)表示擬合的斷面圓心，a，b表示長、短半軸，表2為擬合斷面參數。

表2 斷面參數 m

掃描儀和全站儀所獲得的兩種數據擬合的斷面參數誤差在1.3 mm以內，滿足變形監測的需求。表3所示為兩期斷面不同方位處形變比較。

表3 斷面兩期各個方位形變情況 mm

將各期數據轉換到統一坐標系，由第一期點云提取隧道中軸線，其后各期數據直接利用第一期數據提取的中軸線在相同位置截取隧道斷面，按相同方法，對不同期的斷面進行分析即可得到相應時期內的形變量。

3 總 結

地面三維激光掃描儀應用到隧道掃描中,可以快速的提取隧道的斷面，并提高斷面測量效率。同時比對提取斷面和隧道的設計半徑可獲知隧道斷面的變形情況。

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[責任編輯：李銘娜]

Application of laser scanning point clouds to the subway tunnel section extraction

JI Siyuan，WANG Tonghe，ZHANG Guolong，LI Min

(Information and Engineering University，Zhengzhou 450000,China)

The traditional cross-section measurement method has the shortcomings of low efficiency and poor precision. In order to optimize the method of cross-section measurement, this paper proposes to use ground laser point cloud to extract section. It mainly includes three main steps: center axis fitting, point cloud segmentation and section extraction. On the basis of determining initial axial line based on the bi-directional projection of point cloud, the chord height offset algorithm is used to extract the inflection point of framework feature, and the central axis segment is re-fitted to obtain secondary central axis; the point cloud segmentation is implemented based on tunnel central axis, point cloud data of the tunnel is segmented continuously, and the intercepted sections are elliptically fitted. Experiments show that this method can be used to quickly extract the cross section of any position on the central axis.

bidirectional projection; chord height offset; central axis fitting; section extraction

引用著錄：紀思源,王同合,張國龍，等.基于激光掃描點云的隧道斷面提取方法[J].測繪工程，2017，26(6)：66-70.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.06.012

2016-05-20；

2016-06-03

紀思源(1990- )，男，碩士研究生.

P228.4；U456

A

1006-7949(2017)06-0066-05