盾構隧道點云模塊化提取方法

林樂勝,林 松

(1.江蘇建筑職業技術學院建造學院,江蘇 徐州 221116; 2.惠州市自然資源規劃勘測院,廣東 惠州 516000)

隧道的長期運營和各部位受力不均勻易導致隧道發生不規則形變,因此對隧道進行監測時需要對隧道各個模塊進行形變分析[1],盾構隧道由多個單環管片拼裝而成,而每環管片由若干個預制混凝土管片塊鉚接而成。地鐵隧道由于長期受不均勻地下壓力的影響,易在管片塊接縫位置發生不規則形變[2-4]。傳統利用測距儀、水準儀、全站儀等測量儀器測定待定點的形變值,不僅需要消耗大量人力、物力,且采集的數據量有限,分析結果準確度較低[5-7]。三維激光掃描技術被廣泛應用于地鐵隧道監測領域[8-10],在地鐵隧道建設和運營期間進行有效的隧道結構形變檢測,可大大減少地鐵隧道安全事故的發生。文獻[11]基于數形結合的思想,將移動激光掃描的點云生成隧道平鋪圖,提取豎直縫環,但由于移動掃描斷面與隧道橫斷面不平行,導致少量非豎直環縫無法提取。文獻[12]利用幾何特征代替反射率特征生成影像,且為每一個點定義幾何權重突出管縫特征,這種方法易受噪聲影響,穩健性不高。文獻[13]直接利用隧道環間和管片模塊間的拼接縫向外突起的特征提取拼接縫,實現模塊的分割,這種方法穩健性較差且需要人機交互。

為此,本文提出一種基于盾構隧道點云模塊縫的中軸線提取方法。首先基于RANSAC算法[14]擬合出盾構隧道點云的初始中軸線及半徑,再基于軸線及半徑將盾構隧道點云進行圓柱展開;然后將展開的隧道點云數據轉為柵格圖像,并基于帶限制條件的Hough變換[15-16]實現隧道環間尺度分割和模塊分割;最后利用隧道環內模塊縫點云的擬合環片中心,實現隧道中軸線提取。

1 模塊化提取方法

1.1 基于RANSAC算法實現隧道點云去噪及圓柱展開

理想的盾構隧道斷面圓參數方程為

Ci=Oi+r·l1cosθ+l2sinθ

(1)

式中,Ci為理想隧道斷面圓;Oi為圓心;r為半徑,l1和l2分別為與軸線兩兩互相垂直的單位向量;θ為隧道上某點至l1的夾角。

利用RANSAC算法可得到初始軸線方程及圓柱半徑,設置噪聲濾波參數Δd濾出掃描點至擬合中心距離[r-Δd,r+Δd]內的點云,并將其作為試驗點,再設置梯度Δδ,將θ從0°遞增至360°,即可實現隧道點云的圓柱展開,如圖1所示。

圖1 隧道點云圓柱展開

1.2 基于Hough直線檢測方法實現隧道環塊提取

Hough變換是基于對偶原理,把原空間問題轉換到對偶空間去求解,即將原來的笛卡爾空間轉換到極坐標參數空間。笛卡爾空間上的一個位置確定的點(x0,y0),經過該點的直線方程為:y0=k·x0+b,由于k、b的不確定性,因此直線為無數條。Hough變換為將參數空間改為極坐標空間,將直線轉為(r,θ)空間多個曲線的交點。經過變換,圖像空間中的每個點(x,y)被映射為一個(r,θ)極坐標空間中的正弦曲線,而圖像空間中共線的點(r,θ)所對應空間中正弦曲線相交于一點(r′,θ′),如圖2所示。

圖2 極坐標空間轉換

對展開后的隧道點云數據進行柵格化,如圖3(a)所示。首先在Hough變換提取過程中加入兩個限制條件:一是轉換中的θ角度,設置為0,即只提取豎直線;二是設置提取直線的長度,提取結果如圖3(b)所示,提取的豎直線可作為環片切割線,實現環片提取,如圖3(c)所示。

圖3 有條件限制的Hough直線提取結果

1.3 基于圖像匹配的模塊提取

盾構隧道一環內一般由1個封頂塊、2個鄰接塊及N塊標準塊組成。其中,封頂塊和鄰接塊中間部位的螺栓孔的數量和布局與其他位置上螺栓孔的數量和布局不同,可以利用每環內特定螺栓孔數和螺栓孔布局的特殊性,提取封頂塊和鄰接塊。

封頂塊點云提取步驟如下:

(1)構建標準中心螺栓模塊矩陣。從展開圖中截取一個標準的中心模板,構建m×n的矩陣,如圖4所示。

圖4 環片尺寸及構造

(2)匹配模塊矩陣。將模塊矩陣在每個環片上滑動,遍歷整個圖像,計算模板矩陣與模板覆蓋矩陣的相似度。相似度函數可表示為

(2)

式中,T表示模板圖像函數;l表示隧道圖像函數;(x,y)為圖像的像素坐標,圖像坐標系以圖像左上角為原點,x表示橫軸坐標,y表示縱軸坐標;坐標(i,j)為模板圖像的像素坐標,模板圖像坐標系以模板圖像左上角為原點,i表示橫軸坐標,j表示縱軸坐標。取相似度目標函數前兩個所在位置中心點坐標,即為模塊中心坐標。

(3)匹配鄰接塊和標準塊。當識別出模塊中心后,依據各模塊中心的距離(圖4標定的尺寸)識別出該模塊的屬性,并以封頂塊為基準識別其他模塊。最后將圖像分割結果映射到空間點云中實現隧道點云的模塊化分割。

2 實例驗證與分析

首先采用地面三維激光掃描儀對某地鐵隧道進行數據采集,采集后點云數據如圖5(a)所示;然后采用基于限制條件的Hough變換提取隧道環線,隧道環點云分割結果如圖5(b)所示;最后對各環片進行模塊分割,分割結果如圖5(c)所示。

圖5 隧道模塊分割試驗

上述試驗表明,基于Hough直線檢測方法能實現隧道環塊點云完整提取,受單站數據采集不全及環塊兩端噪聲點過多影響,基于圖像匹配的模塊提取方法不能提取隧道環塊兩端的標準塊,但基于圖像匹配的模塊提取方法能實現環塊中的鄰接塊及封頂塊點云分割,且提取效果較為理想。

3 結 語

針對盾構隧道點云數據,本文提出了一種模塊化提取的方法,該方法將隧道點云數據轉為柵格數據,基于較成熟的圖像處理算法,能夠有效提取盾構隧道內模塊數據,且穩定性較高,為盾構隧道點云后續應用提供模塊基礎數據。本文的模塊化提取算法適用于直線型盾構隧道點云,對于非直線形隧道的模塊化提取方法將是后續的研究方向。