基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的單圓盾構(gòu)隧道內(nèi)壁影像生成算法

褚平進(jìn)

(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上?！?00438)

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基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的單圓盾構(gòu)隧道內(nèi)壁影像生成算法

褚平進(jìn)

(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200438)

摘要：采用三維激光掃描技術(shù)采集隧道內(nèi)壁影像，需要解決的問題主要在于數(shù)據(jù)的采集與投影變換.提出了一種基于分段圓柱等角正切投影的算法，利用三維掃描數(shù)據(jù)插值生成隧道內(nèi)壁的投影展開影像圖，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的可靠性，證明該正射影像分辨率優(yōu)于1cm，具有精確的坐標(biāo)量測(cè)和病害信息判讀功能.

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;正射投影;隧道;病害信息;圓柱

0引言

在城市軌道交通隧道維護(hù)工作中，通過對(duì)隧道內(nèi)壁影像信息的判讀可識(shí)別并量測(cè)附屬設(shè)備的空間分布和表觀病害信息.傳統(tǒng)的影像獲取一般采用人工光學(xué)照相，該采集方式受制于隧道內(nèi)光線條件和作業(yè)時(shí)間限制，難以采集大量高精度的可量測(cè)隧道內(nèi)壁影像.

三維激光掃描技術(shù)是一種以激光測(cè)距方式快速獲取被測(cè)物體三維坐標(biāo)及激光反射率的測(cè)量技術(shù)，所采集的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)可直觀反應(yīng)物體的幾何尺寸和激光反射率差異信息.該技術(shù)不受光線條件限制，已廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、文物保護(hù)、地形測(cè)繪、逆向工程等領(lǐng)域.

采用三維激光掃描技術(shù)采集隧道內(nèi)壁影像，需要解決的問題主要在于數(shù)據(jù)的采集與投影變換.數(shù)據(jù)的采集方面，應(yīng)綜合考慮作業(yè)時(shí)間窗口段、三維激光掃描儀分辨率、測(cè)站拼接方式、靶球控制測(cè)量等因素優(yōu)化外業(yè)采集方式，兼顧外業(yè)數(shù)據(jù)采集的精度和效率.投影變換方面，三維激光掃描所采集的原始數(shù)據(jù)需經(jīng)投影變換，方可轉(zhuǎn)換為直觀的二維展開影像圖供隧道維護(hù)工作使用.

本文提出了一種基于分段圓柱等角正切投影的算法，利用三維掃描數(shù)據(jù)插值生成隧道內(nèi)壁的投影展開影像圖.利用Faro Focus3D掃描儀在上海某地鐵隧道采集的三維坐標(biāo)和激光反射率數(shù)據(jù)，經(jīng)分段圓柱等角正切投影和IDW插值計(jì)算，共生成1.1km的隧道內(nèi)壁沿里程方向的展開影像.經(jīng)與數(shù)碼相機(jī)拍照及人工測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，所采集的影像分辨率優(yōu)于1cm，具備襯砌環(huán)的病害信息的初步量測(cè)和判讀能力.

1三維掃描數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理

隧道是超長(zhǎng)線狀結(jié)構(gòu)，需要沿隧道軸線方向依次布設(shè)多個(gè)測(cè)站才能完成整條隧道的數(shù)據(jù)獲取工作，其中測(cè)站間距和掃描分辨率是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵參數(shù)，其取值對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量效率有很大影響.本文外業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集使用Faro Focus 3D掃描儀，采用1/4分辨率、2×掃描質(zhì)量和10環(huán)(環(huán)寬1.2 m)間距參數(shù)進(jìn)行設(shè)站掃描，在隧道整體道床按10環(huán)間隔布設(shè)1組(3個(gè))靶球用于隧道配準(zhǔn).

同時(shí)原始的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，且其中不全是有效數(shù)據(jù)，還包含了噪聲點(diǎn)和冗余點(diǎn).如果直接利用原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，結(jié)果往往不理想，因此對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理十分必要.隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云壓縮與中軸線提取等.由于隧道是一種特殊的狹長(zhǎng)型構(gòu)建物，其橫斷面接近橢圓或圓.針對(duì)隧道這種特殊性質(zhì)，因此本文采用了基于隧道切片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法.其基本流程(見圖1).

圖1　隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖

2基于圓柱分段等角度正切投影的算法模型

基于盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)設(shè)計(jì)形狀為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體、沿軸線法向量分段連續(xù)的假設(shè)，將實(shí)體單圓盾構(gòu)隧道抽象為一組按軸線方向有序排列的圓柱體，即以圓柱體的中心線和直徑代表襯砌環(huán)的軸線與內(nèi)徑.通過提取各襯砌環(huán)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，繞各襯砌環(huán)軸線中心位置平移旋轉(zhuǎn)后至標(biāo)準(zhǔn)圓柱體按里程順序排列，再將襯砌環(huán)內(nèi)壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)等角正切投影展開至平面，最后利用投影后的點(diǎn)云反射率信息插值生成隧道內(nèi)壁影像.

本文提出一種基于圓柱分段等角度正切投影生成隧道內(nèi)壁影像的算法.

2.1襯砌環(huán)圓柱體的定義

圖2　襯砌環(huán)圓柱體在工程坐標(biāo)系的幾何參數(shù)

2.2基于投影范圍初步提取襯砌環(huán)點(diǎn)云

(1)

圖3　A1B1C1D1在工程坐標(biāo)系的幾何參數(shù)

2.3襯砌環(huán)點(diǎn)云的坐標(biāo)變換

(2)

其中R1,R2分別為下式(3)、式(4)：

(3)

(4)

(5)

(6)

2.4圓柱等角正切投影

圖4　襯砌環(huán)按圓柱等角正切投影的示意圖

3實(shí)例分析

為了驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型的正確性，編制了一套Matlab語言的圓柱分段正切投影程序，并利用射線算法實(shí)現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)的插值生成.投影后插值生成的隧道內(nèi)壁影像圖(見圖5)分辨率優(yōu)于1 cm，具有精確的坐標(biāo)量測(cè)和病害信息判讀功能.

基于上述灰度正射影像，可進(jìn)行滲水、裂縫、掉塊等隧道病害調(diào)查以及配電箱、里程牌等隧道附屬設(shè)施調(diào)查等應(yīng)用(見圖6).

圖5　隧道內(nèi)壁正射影像

圖6　隧道病害與隧道附屬設(shè)施

4結(jié)語

本文主要致力于基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的隧道內(nèi)壁正射影像生成算法，在預(yù)處理后掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用基于圓柱分段等角度正切投影的算法生成隧道內(nèi)壁正射影像圖.通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的可靠性，并對(duì)生成的正射影像圖進(jìn)行隧道病害調(diào)查和附屬設(shè)施普查.

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信息啟示

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12月4日至6日，由中國高等教育學(xué)會(huì)主辦，浙江大學(xué)、清華大學(xué)和浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司承辦的“第一屆全國高等

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我校陳仙明老師自暑期起，便開始參與液壓實(shí)施平臺(tái)的培訓(xùn)、初賽方案設(shè)計(jì)及決賽方案驗(yàn)證、現(xiàn)場(chǎng)操作、答辯演示.在比賽過程他不畏強(qiáng)手，沉著冷戰(zhàn)，最終在眾多選手中脫穎而出，獲得了一等獎(jiǎng)的好成績(jī)，體現(xiàn)了我校教師的工程技術(shù)應(yīng)用實(shí)力.

摘自浙江水利水電學(xué)院網(wǎng)

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

中圖分類號(hào)：TV522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)02-0058-05

作者簡(jiǎn)介：褚平進(jìn)(1965- )，男，江蘇泰州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事精密工程測(cè)量、工程監(jiān)測(cè)方面的研究和管理工作.

收稿日期：2015-09-10