基于点云数据的隧道断面线提取方法

林春峰　黄华平　张智勇

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都　610031)

The Method of Generating Tunnel Profile Based on Point Cloud

LIN Chunfeng　HUANG Huaping　ZHANG Zhiyong

基于点云数据的隧道断面线提取方法

林春峰黄华平张智勇

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

The Method of Generating Tunnel Profile Based on Point Cloud

LIN ChunfengHUANG HuapingZHANG Zhiyong

摘要隧道工程通常使用断面线进行限界、超欠挖、变形测量等应用的分析。介绍一种基于点云数据的隧道断面线提取方法，该方法以经过拼接、滤波、去噪之后的三维激光点云为数据源，首先对点云进行重组织，以便快速检索;然后根据隧道中线获得待提取断面线所在平面附近的点云切片;最后对点云进行处理，得到断面线。

关键词点云隧道断面线提取

隧道工程通常使用断面线进行限界、净空、超欠挖、变形测量等应用分析。地面三维激光扫描作为一种新型数据获取手段，具有高效率、高精度、高密度、数据量大等特点[1]，在隧道工程中有广泛的应用[2-6]。介绍一种基于点云数据的隧道断面线提取方法，该方法以经过拼接、滤波、去噪之后[1，7，8]的三维激光点云为数据源，首先对点云数据进行重组织，然后根据隧道中线获得待提取断面线所在平面附近的点云切片，然后对点云进行处理，得到断面线。

1点云数据重组织

隧道中任意里程或洞深标(隧道中某点沿隧道中线距离隧道洞口的距离值，本文中统称里程)处的断面必须与隧道中线严格垂直[9]，隧道中线、里程与断面的关系如图1所示。

图1　隧道中线与断面关系示意[10]

假设隧道中某里程CK处的坐标为(x0，y0，z0)，该里程处的法线斜率为(kx，ky，kz)，则该里程处的断面方程为

(1)

任意一点P(x，y，z)与里程CK处断面的关系有两种：

(1)P点在断面上，则有f(x，y，z)=ax+by+cz+d=0。

(2)P点在断面两侧，则有f(x，y，z)=ax+by+cz+d≠0，且同侧点云的计算值正负性一致。

结合隧道几何形态呈狭长条状的特点，利用隧道中线里程对隧道点云数据进行分块重组织。即将点云按照区间{[CK0+i×ΔCK，CK0+(i+1)×ΔCK)|i=0，1，2，…} 进行分块。其中，CK0为隧道入口里程，ΔCK为分块区间长度。

则可以分别计算里程CK0+i×ΔCK和CK0+(i+1)×ΔCK处的断面方程为fi(X，Y，Z)和fi+1(X，Y，Z)，遍历所有点云数据，取当前点(x，y，z)，根据在断面同侧点云正负性一致可知：若fi(x，y，z)×fi+1(x，y，z)≤0，则该点位于两个断面之间，将该点写入名为“i_i+1.xyz”的文件中，直至完毕。

隧道点云数据重组织后，可以建立点云数据与里程的相对位置关系，便于后续点云检索。

2点云提取断面线

2.1　断面处点云截取

由公式(1)知，隧道点云中任意一点(x，y，z)距离里程CK处断面的距离d为

(2)

给定距离阈值d0，根据公式(1)和公式(2)可在隧道点云中获得距离里程CK处断面d

首先获得待提取断面线的里程值CK，遍历重组织点云文件名，根据方程

计算得到i；

然后取文件：i-1_i.xyz、i_i+1.xyz和i+1_i+2.xyz。若文件不存在，忽略。

最后打开存在的文件，遍历文件中的所有点云数据，按照上述方法计算d，获得d

图2　断面点云截取历程

2.2　断面点云处理

为了便于后续计算，提出了一种建立隧道断面局部坐标系的方法对点云切片数据进行处理。即：隧道断面局部坐标系o-xyz，以点云坐标系O-XYZ中隧道里程CK点为原点o；O-XYZ坐标系中XOY平面与CK处的断面交线为x轴，沿线路中线小里程至大里程方向右手方向为x轴正方向；y轴与中线上CK处的切线重合，沿线路中线小里程至大里程方向为y轴正方向；z轴垂直于xoy平面，方向与O-XYZ坐标系中Z轴方向一致。且oy轴与OY轴的夹角为α。O-XYZ坐标系与o-xyz坐标系关系的俯视图如图3所示。

图3　坐标系关系

(3)

将点云切片数据转换到隧道断面局部坐标系后，点云切片数据在y=0平面两边分布，俯视图如图4所示。

图4　点云切片数据与隧道断面局部坐标系

2.3　断面线提取

首先寻找阈值xl和xr，将转换到o-xyz坐标系下的点云切片数据分割成

(3)左： {(x，y，z)|xmin≤x

(4)右： {(x，y，z)|xmax≥x>xr}四个部分。

其中xmax和xmin为切片点云数据最大、最小x值；zmax和zmin为切片点云数据的最大、最小z值。由于国内隧道截面一般呈现马蹄形和圆形，对切片点云数据进行分割的示意图如图5所示。

图5　点云切片数据分割

为了获得阈值xl和xr，首先在o-xyz坐标系中对x轴进行区间划分，假设区间宽度为0.1 m，则区间可以划分为： {…(-0.15，-0.05]、(0.05，0.05]、(0.05，0.15]…}。然后统计点云切片数据落入各个区间的个数。由隧道结构特性可知：点云切片数据落入各个区间个数统计曲线图如图6所示。

图6　点云落入个区间个数统计

按照上述方法对点云切片数据分割完成后，将上、下两个部分的数据分别在xoy平面上构TIN；将左、右两个部分的数据投影到yoz平面，并分别在该平面上构TIN。

然后将构好的TIN转换到o-xyz坐标系中，俯视图如图7所示。并分别计算上、下、左、右四个部分的TIN与y=0平面的交点坐标。

然后按照“左-上-右-下”及“左部分TIN交点按照z值从小到大，上部分交点坐标按照x值从小到大，右部分交点按照z值从大到小，下部分交点坐标按照x值从大到小”的顺序，依次将交点坐标连接成线，即可得到里程CK处隧道断面在o-xyz坐标系中的断面线。

最后将o-xyz坐标系中的断面线旋转、平移，恢复到O-XYZ坐标系中，即可得到最终结果。

3工程应用

现有截面呈马蹄形某山区铁路隧道和截面呈圆形某城市地铁隧道，分别利用地面三维激光扫描仪获得隧道点云，并进行断面线提取。首先对点云进行拼接、滤波、去噪等预处理，并人工去除对检测结果无影响的地面点云；然后利用本文提出的重组织方法将点云分割为区间长度为1 m的文件集合。两个隧道点云的情况如表1所示。

表1　隧道点云情况

理论上，点云重组织前，铁路隧道每一根断面线提取单次最大遍历数据量为10.9 GB，重组织后调入内存点云最大为82.533×3=247.599 MB；地铁隧道每一根断面线提取单次最大遍历数据量为500 MB，重组织后调入内存点云最大26.936×3=80.808 MB。由此可见，点云重组织后，断面线提取时，遍历数据量极大减少，从而减少了计算量，可极大地提高处理效率。

设置距离d0=0.05 m，获得某里程点云切片数据，如图7所示。

图7　点云切片数据

对切片点云数据进行直方图统计，获得直方图曲线图，如图8所示。

图8　直方图曲线

由图8可以验证图6的合理性推断。然后利用本文的方法进行断面线提取，结果如图9所示。

图9　断面结果

利用提取的断面线与全站仪实测的隧道断面进行同点位距离对比，可以得到如表2所示的统计结果。

表2　对比结果　mm

利用断面仪对铁路隧道进行实际断面测量时，里程、断面方向都存在误差，因此造成数据结果偏大；使用全站仪进行地铁隧道断面测量，精度较高。对比结果表明：提取的断面与实际测量断面相吻合。

4结束语

提出一种基于点云数据的隧道断面线提取方法，首先对隧道点云进行重组织，可以有效减少点云切片时内存占用率及运算次数；然后利用切片点云数据进行断面线提取，算法易于程序实现。最后，通过两个工程验证了本方法的正确性。

参考文献

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[2]夏国芳，王晏民.三维激光扫描技术在隧道横纵断面测量中的应用研究[J].北京建筑工程学院学报，2010(3):21-24

[3]胡圣武，范远芳.城市轨道交通的隧道结构断面测量方法研究[J].测绘科学，2012(5):126-128

[4]王令文，程效军，万程辉.基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究[J].工程勘察，2013(7):53-57

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[6]谢雄耀，卢晓智，田海洋，等.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].岩石力学与工程学报，2013(11):2214-2224

[7]卫福旺，刘君利，杨磊.三维点云数据采集与拼合技术的研究与应用[J].工程地球物理学报，2009(5):646-649

[8]盛业华，张卡，张凯，等.地面三维激光扫描点云的多站数据无缝拼接[J].中国矿业大学学报，2010(2):233-237

[9]谯生有，王善高，周建东.应用线路实时坐标系测设线路横断面[J].测绘通报，2001(6):27-28

[10]林春峰，黄华平，闵世平.基于AutoCAD平台的线路横断面线提取系统的设计与实现[J].铁道勘察，2013(4):6-9

中图分类号：P225.2

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)04-0004-04

作者简介：第一林春峰(1987—)，男，硕士，工程师。

收稿日期：2015-05-20