基于三维激光扫描数据的单圆盾构隧道内壁影像生成算法

褚平进

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海　200438)



基于三维激光扫描数据的单圆盾构隧道内壁影像生成算法

褚平进

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海200438)

摘要：采用三维激光扫描技术采集隧道内壁影像，需要解决的问题主要在于数据的采集与投影变换.提出了一种基于分段圆柱等角正切投影的算法，利用三维扫描数据插值生成隧道内壁的投影展开影像图，通过试验数据验证该方法的可靠性，证明该正射影像分辨率优于1cm，具有精确的坐标量测和病害信息判读功能.

关键词：三维激光扫描;正射投影;隧道;病害信息;圆柱

0引言

在城市轨道交通隧道维护工作中，通过对隧道内壁影像信息的判读可识别并量测附属设备的空间分布和表观病害信息.传统的影像获取一般采用人工光学照相，该采集方式受制于隧道内光线条件和作业时间限制，难以采集大量高精度的可量测隧道内壁影像.

三维激光扫描技术是一种以激光测距方式快速获取被测物体三维坐标及激光反射率的测量技术，所采集的高密度点云数据可直观反应物体的几何尺寸和激光反射率差异信息.该技术不受光线条件限制，已广泛应用于工程测量、文物保护、地形测绘、逆向工程等领域.

采用三维激光扫描技术采集隧道内壁影像，需要解决的问题主要在于数据的采集与投影变换.数据的采集方面，应综合考虑作业时间窗口段、三维激光扫描仪分辨率、测站拼接方式、靶球控制测量等因素优化外业采集方式，兼顾外业数据采集的精度和效率.投影变换方面，三维激光扫描所采集的原始数据需经投影变换，方可转换为直观的二维展开影像图供隧道维护工作使用.

本文提出了一种基于分段圆柱等角正切投影的算法，利用三维扫描数据插值生成隧道内壁的投影展开影像图.利用Faro Focus3D扫描仪在上海某地铁隧道采集的三维坐标和激光反射率数据，经分段圆柱等角正切投影和IDW插值计算，共生成1.1km的隧道内壁沿里程方向的展开影像.经与数码相机拍照及人工测量数据比对，所采集的影像分辨率优于1cm，具备衬砌环的病害信息的初步量测和判读能力.

1三维扫描数据的采集与预处理

隧道是超长线状结构，需要沿隧道轴线方向依次布设多个测站才能完成整条隧道的数据获取工作，其中测站间距和扫描分辨率是数据采集的关键参数，其取值对测量精度和测量效率有很大影响.本文外业实验数据采集使用Faro Focus 3D扫描仪，采用1/4分辨率、2×扫描质量和10环(环宽1.2 m)间距参数进行设站扫描，在隧道整体道床按10环间隔布设1组(3个)靶球用于隧道配准.

同时原始的隧道点云数据量非常大，且其中不全是有效数据，还包含了噪声点和冗余点.如果直接利用原始点云数据进行后续处理，结果往往不理想，因此对原始点云数据进行预处理十分必要.隧道点云数据的预处理主要包括点云去噪、点云压缩与中轴线提取等.由于隧道是一种特殊的狭长型构建物，其横断面接近椭圆或圆.针对隧道这种特殊性质，因此本文采用了基于隧道切片的点云数据预处理方法.其基本流程(见图1).

图1　隧道点云数据预处理流程图

2基于圆柱分段等角度正切投影的算法模型

基于盾构隧道衬砌环设计形状为标准圆柱体、沿轴线法向量分段连续的假设，将实体单圆盾构隧道抽象为一组按轴线方向有序排列的圆柱体，即以圆柱体的中心线和直径代表衬砌环的轴线与内径.通过提取各衬砌环的点云数据，绕各衬砌环轴线中心位置平移旋转后至标准圆柱体按里程顺序排列，再将衬砌环内壁点云数据经等角正切投影展开至平面，最后利用投影后的点云反射率信息插值生成隧道内壁影像.

本文提出一种基于圆柱分段等角度正切投影生成隧道内壁影像的算法.

2.1衬砌环圆柱体的定义

图2　衬砌环圆柱体在工程坐标系的几何参数

2.2基于投影范围初步提取衬砌环点云

(1)

图3　A1B1C1D1在工程坐标系的几何参数

2.3衬砌环点云的坐标变换

(2)

其中R1,R2分别为下式(3)、式(4)：

(3)

(4)

(5)

(6)

2.4圆柱等角正切投影

图4　衬砌环按圆柱等角正切投影的示意图

3实例分析

为了验证上述数学模型的正确性，编制了一套Matlab语言的圆柱分段正切投影程序，并利用射线算法实现了影像数据的插值生成.投影后插值生成的隧道内壁影像图(见图5)分辨率优于1 cm，具有精确的坐标量测和病害信息判读功能.

基于上述灰度正射影像，可进行渗水、裂缝、掉块等隧道病害调查以及配电箱、里程牌等隧道附属设施调查等应用(见图6).

图5　隧道内壁正射影像

图6　隧道病害与隧道附属设施

4结语

本文主要致力于基于三维激光扫描数据的隧道内壁正射影像生成算法，在预处理后扫描数据的基础上，采用基于圆柱分段等角度正切投影的算法生成隧道内壁正射影像图.通过试验数据验证该方法的可靠性，并对生成的正射影像图进行隧道病害调查和附属设施普查.

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信息启示

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摘自浙江水利水电学院网

An Inner Wall Image Generation Algorithm of Single Round Shield Tunnels Based on 3D Laser Scanning Data

CHU Ping-jin

(Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200438, China)

Abstract:An algorithm for orthophoto generation of tunnel inner walls is proposed in this paper based on 3D laser scanning data. Firstly, the basic methods of acquisition and pre-processing 3D laser scanning data are introduced. Then, with the pre-processed scanning data, a algorithm of cylindrical segment angles tangent projection is proposed. Finally, with the proposed model, the orthophoto of the tunnel inner wall is generated by calculating the 3D scanning data. The results show that the resolution of the orthophoto is better than 1cm with functions of precise coordinates measuring and disease information interpreting.

Key words:three-dimensional laser scanning; orthographic projection; tunnels; disease information; cylinder

中图分类号：TV522

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)02-0058-05

作者简介：褚平进(1965- )，男，江苏泰州人，硕士，高级工程师，主要从事精密工程测量、工程监测方面的研究和管理工作.

收稿日期：2015-09-10