本發(fā)明涉及隧道超欠挖檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種采用三維激光掃描儀及其激光點(diǎn)云處理算法進(jìn)行隧道超欠挖檢測(cè)的方法。

背景技術(shù)：

公路、鐵路及城市軌道交通等工程的隧道結(jié)構(gòu)，其斷面設(shè)計(jì)形狀不盡相同。隧道施工方法有礦山法、盾構(gòu)法、明挖法、暗挖法等，其施工工藝也有較大區(qū)別。無(wú)論何種結(jié)構(gòu)類型與何種施工方法的隧道，由于測(cè)量及施工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，實(shí)測(cè)隧道斷面與設(shè)計(jì)斷面在形狀和位置上均會(huì)存在不一致的情況。采用礦山法、明挖法或者暗挖法的隧道，在施工過(guò)程中需要進(jìn)行隧道的超欠挖檢測(cè)，以判斷隧道凈空是否滿足設(shè)計(jì)斷面要求，超欠挖不僅影響施工成本，而且對(duì)圍巖的穩(wěn)定性也有很大影響。

目前，隧道超欠挖的檢測(cè)方法主要是采用全站儀或斷面儀等設(shè)備，逐斷面逐點(diǎn)方式進(jìn)行全斷面測(cè)量，此類方法檢測(cè)效率較低，很難滿足隧道施工過(guò)程中大量超欠挖檢測(cè)工作的需求。

Wang等人提出將斷面點(diǎn)云分別投影至XOY和YOZ平面上，并提取投影點(diǎn)云邊緣輪廓線，再將提取的斷面線導(dǎo)入AutoCAD中，采用射線相交的方式實(shí)現(xiàn)高速公路隧道的超欠挖檢測(cè)(ZHANG X,LI S,WANG Z.Continuous section extraction and over under break detection of tunnel based on 3D laser technology and image analysis；proceedings of the IS&T/SPIE Electronic Imaging,F,2015[C].International Society for Optics and Photonics)。該方法解決了圓形隧道超欠挖檢測(cè)問(wèn)題，其檢測(cè)效率較常規(guī)檢測(cè)方法有所提高，但是該方法存在以下缺點(diǎn)：

(1)此方法僅適用于圓形隧道，不適用于馬蹄形、矩形等其他類型的隧道。由于在提取隧道斷面線時(shí)，采用截取小段隧道激光點(diǎn)云，分別將此段落的激光點(diǎn)云投影至XOY和YOZ平面上。采用曲線擬合算法分別提取投影面上邊緣線，再通過(guò)直線擬合算法，提取中線直線，分別計(jì)算中心直線與Y軸和Z軸的夾角。利用此夾角，通過(guò)坐標(biāo)變換，將小段截取點(diǎn)云轉(zhuǎn)換至X軸平行方向。只有圓形隧道投影后的邊緣線為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此該方法不適應(yīng)于非圓形隧道；

(2)此方法根據(jù)設(shè)定的角度間隔進(jìn)行斷面點(diǎn)提取，不能夠提取隧道特征斷面點(diǎn)。由于此方法將提取的隧道斷面線導(dǎo)入至CAD中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)射線的方法提取隧道斷面點(diǎn)，再與設(shè)計(jì)點(diǎn)位進(jìn)行比較，計(jì)算超欠挖。此類方法不能夠計(jì)算矩形、馬蹄形等隧道類型的特征點(diǎn)的超欠挖，而這些特征點(diǎn)的超欠挖計(jì)算又非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種適于多種隧道類型、檢測(cè)效率高、測(cè)量精度滿足超欠挖檢測(cè)要求的隧道超欠挖檢測(cè)方法。

為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種隧道超欠挖檢測(cè)方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)隧道線路的中線資料，設(shè)定斷面厚度值和寬度值，進(jìn)行隧道斷面點(diǎn)云的自動(dòng)分割；

S2、將分割的斷面點(diǎn)云投影至XOY平面上，采用凸包提取方法，進(jìn)行斷面點(diǎn)云輪廓線的自動(dòng)提取，得到實(shí)測(cè)斷面線；

S3、利用隧道設(shè)計(jì)斷面,計(jì)算其特征點(diǎn)至所述實(shí)測(cè)斷面線的距離及方位，進(jìn)行超欠挖的自動(dòng)檢測(cè)。

上述的步驟S1中所述的隧道斷面點(diǎn)云的自動(dòng)分割包括以下步驟：

1)線路橫斷面計(jì)算：

利用隧道設(shè)計(jì)的中線資料，采用等間隔或在指定里程處，計(jì)算設(shè)計(jì)中線對(duì)應(yīng)里程的平面坐標(biāo)；根據(jù)線路設(shè)計(jì)的縱斷面資料，計(jì)算所述中線對(duì)應(yīng)里程的隧道中心高程值，進(jìn)而獲得斷面點(diǎn)處隧道中心的三維坐標(biāo)值，如需要計(jì)算斷面處的軌道中心三維坐標(biāo)值，則利用軌道與隧道中線設(shè)計(jì)高度值，將隧道中心高程值改正至軌道頂部高度上；

利用相鄰隧道斷面點(diǎn)的平面坐標(biāo)值，設(shè)定一定的斷面線寬度，計(jì)算垂直于相鄰斷面點(diǎn)連線的橫斷面線，(計(jì)算獲得的橫斷面線與相鄰斷面點(diǎn)連線的法線向量一致，該橫斷面線在線路中線的平面投影點(diǎn)位于線路斷面點(diǎn)上)；

2)隧道橫斷面點(diǎn)云的分割：

利用步驟1)獲得的所述橫斷面線，通過(guò)遍歷所有激光點(diǎn)云，判斷激光點(diǎn)至斷面線的縱向距離以及至斷面線的正交距離；根據(jù)設(shè)定的斷面點(diǎn)云厚度與斷面線的2個(gè)端點(diǎn)A和B進(jìn)行計(jì)算，如果點(diǎn)Pi至斷面線的縱向距離小于斷面線AB的長(zhǎng)度，且Pi至斷面線的正交距離小于斷面厚度，則Pi屬于此斷面點(diǎn)云，利用公式(1)完成隧道斷面點(diǎn)云分割，

式中：

Pi：第i個(gè)激光點(diǎn)；

Section_k、Section_other：第k個(gè)斷面的點(diǎn)云、其它斷面點(diǎn)云；

Long_Pi、Ortho_Pi：第i個(gè)激光點(diǎn)至斷面線的縱向距離、正交距離，單位為米；

Length_AB：斷面線AB的長(zhǎng)度值，單位為米；

Depth：斷面點(diǎn)云厚度，單位為米。

在上述的步驟2)中，首先對(duì)隧道點(diǎn)云構(gòu)建KD tree樹(shù)形結(jié)構(gòu)；以斷面線AB的中點(diǎn)O為圓心，進(jìn)行半徑R的快速搜索，再利用搜索的點(diǎn)云進(jìn)行矩形分割，所述半徑R根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

Length_AB²+Section_depth²+δ²＝R² (2)

式中：

Length_AB：斷面線AB的長(zhǎng)度值，單位為米；

Section_depth：斷面厚度值，單位為米；

δ：半徑閾值，單位為米。

上述步驟S2中所述的斷面點(diǎn)云輪廓線的自動(dòng)提取包括以下步驟：

1)斷面點(diǎn)云展開(kāi)：

首先，通過(guò)遍歷斷面點(diǎn)云，計(jì)算激光點(diǎn)至隧道橫斷面線的正交距離，此正交距離值作為點(diǎn)云投影后的X軸的坐標(biāo)值，在計(jì)算正交距離時(shí)，忽略激光點(diǎn)和橫斷面線的高程值，僅計(jì)算其二維平面距離；其次，通過(guò)遍歷斷面點(diǎn)云，計(jì)算激光點(diǎn)與隧道設(shè)計(jì)中心或軌道面位置的高程差值，此高程差值作為點(diǎn)云投影后的Y軸坐標(biāo)值；最后，將激光點(diǎn)云投影展開(kāi)的正交距離和高程差值進(jìn)行結(jié)合，得到斷面點(diǎn)云在XOY平面上的投影坐標(biāo)值；

2)斷面結(jié)構(gòu)線提?。?/p>

首先，依據(jù)斷面點(diǎn)云投影后的X坐標(biāo)值，將斷面點(diǎn)進(jìn)行排序；其次，遍歷排序后的斷面點(diǎn)云，如果此斷面點(diǎn)與之前兩個(gè)點(diǎn)的方向不是逆時(shí)針，則判斷其為輪廓點(diǎn)，移除最后一個(gè)點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的判斷；最后，將分別獲取的斷面輪廓線頂部和底部的輪廓線進(jìn)行連接，得到隧道實(shí)測(cè)斷面線，

在步驟2)斷面結(jié)構(gòu)線提取中，可以根據(jù)鄰域點(diǎn)的距離統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定判斷準(zhǔn)則進(jìn)行“離群點(diǎn)”的判斷，剔除孤立噪聲點(diǎn)。還可以根據(jù)已知的隧道斷面形狀，選擇相應(yīng)的采樣模型，進(jìn)行隨機(jī)采樣一致性算法計(jì)算，對(duì)斷面點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理。

在上述的步驟S3中，進(jìn)行超欠挖自動(dòng)檢測(cè)的方法包括以下步驟：

1)超欠挖量值計(jì)算：

將設(shè)計(jì)斷面節(jié)點(diǎn)定義為斷面線上的點(diǎn)；或指定步長(zhǎng)，通過(guò)線性重采樣設(shè)計(jì)斷面線上的點(diǎn)獲?。煌ㄟ^(guò)遍歷設(shè)計(jì)斷面的節(jié)點(diǎn)，判斷實(shí)測(cè)斷面線上距離此節(jié)點(diǎn)最近的線段，再通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)至線段的垂直距離，進(jìn)而獲得超欠挖量值；隧道實(shí)測(cè)斷面線為閉合多邊形，如果設(shè)計(jì)斷面線節(jié)點(diǎn)在隧道實(shí)測(cè)斷面線外側(cè)，由判定為欠挖，如果設(shè)計(jì)斷面線節(jié)點(diǎn)在隧道實(shí)測(cè)斷面線內(nèi)側(cè)，由判定為超挖。

2)超欠挖面積統(tǒng)計(jì)：

采用Vatti clipping algorithm算法，將隧道實(shí)測(cè)斷面線定義為被分割對(duì)象，將隧道設(shè)計(jì)斷面線定義為分割多邊形，利用隧道設(shè)計(jì)斷面線進(jìn)行分割，位于被分割對(duì)象內(nèi)側(cè)且位于分割多邊形外側(cè)的區(qū)域，即為超挖區(qū)域；反之，將隧道設(shè)計(jì)斷面線定義為被分割對(duì)象，將隧道實(shí)測(cè)多邊形定義為分割多邊形，進(jìn)行上述計(jì)算，即可獲得欠挖區(qū)域；通過(guò)計(jì)算多邊形面積，分別獲得超挖面積與欠挖面積。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)利用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行隧道超欠挖檢測(cè)，不僅效率高、而且精度高；

(2)基于KD樹(shù)形結(jié)構(gòu)對(duì)離散點(diǎn)云進(jìn)行組織管理，采用半徑搜索與矩形分割算法，實(shí)現(xiàn)斷面點(diǎn)云的快速分割；

(3)基于多邊形相交算法的超欠挖面積統(tǒng)計(jì)，可以適應(yīng)多種隧道類型的超欠挖檢測(cè)；

(4)本發(fā)明采用激光點(diǎn)云進(jìn)行隧道的超欠挖檢測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)的全站儀斷面測(cè)量方式，其檢測(cè)效率高、結(jié)果全面詳實(shí)，測(cè)量精度滿足超欠挖檢測(cè)的要求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的隧道超欠挖檢測(cè)方法的流程圖；

圖2是根據(jù)隧道設(shè)計(jì)文件計(jì)算的線位橫斷面線示意圖；

圖3是根據(jù)線路橫斷面線，設(shè)定斷面寬度、矩形分割得到的隧道斷面點(diǎn)云；

圖4是將分割的隧道斷面點(diǎn)云投影至XOY平面，自動(dòng)提取得到的隧道斷面輪廓線；

圖5a是隧道的超欠挖量值計(jì)算結(jié)果；

圖5b是隧道的超欠挖面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種基于激光點(diǎn)云的隧道超欠挖檢測(cè)方法，其采用地面激光掃描儀進(jìn)行隧道整體激光掃描，利用隧道激光點(diǎn)云進(jìn)行隧道的超欠挖檢測(cè)。通過(guò)利用隧道設(shè)計(jì)中線與隧道實(shí)際中線之間相對(duì)穩(wěn)定的位置關(guān)系以及隧道斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，自動(dòng)進(jìn)行隧道的超欠挖檢測(cè)。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的隧道超欠挖檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明的隧道超欠挖檢測(cè)方法的流程圖。該方法主要包括3步：1、根據(jù)線路中線資料，設(shè)定斷面厚度值(沿線路里程方向)和斷面寬度值(沿線路法線方向)，實(shí)現(xiàn)隧道斷面點(diǎn)云的自動(dòng)分割；2、將分割的斷面點(diǎn)云投影至XOY平面上，采用凸包提取方法，實(shí)現(xiàn)斷面點(diǎn)云輪廓線的自動(dòng)提取，得到實(shí)測(cè)斷面線；3、利用隧道設(shè)計(jì)斷面和實(shí)測(cè)斷面線計(jì)算出設(shè)計(jì)斷面線上的斷面點(diǎn)至實(shí)測(cè)斷面線的最短距離，判斷設(shè)計(jì)斷面線的斷面點(diǎn)是否在實(shí)測(cè)斷面線內(nèi)部，并自動(dòng)計(jì)算出隧道的超欠挖量與方向值。具體如下：

1、隧道斷面點(diǎn)云的自動(dòng)分割

采用地面激光掃描儀進(jìn)行隧道掃描，獲取的激光點(diǎn)云的數(shù)量較大，為了減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量、提高軟件計(jì)算效率和降低數(shù)據(jù)處理算法的復(fù)雜度，利用隧道設(shè)計(jì)中線來(lái)設(shè)定斷面厚度，在線路指定里程處，截取等間隔的隧道斷面點(diǎn)云。

1)線路橫斷面計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)隧道斷面矩形點(diǎn)云分割，以及在指定里程斷面位置進(jìn)行超欠挖檢測(cè)，需要利用隧道設(shè)計(jì)中線資料，采用等間隔或在指定里程處，計(jì)算設(shè)計(jì)中線上斷面點(diǎn)的平面坐標(biāo)。根據(jù)線路設(shè)計(jì)縱斷面資料，計(jì)算斷面點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隧道中心高程值，進(jìn)而獲得斷面點(diǎn)處隧道中心的三維坐標(biāo)值。如果需要計(jì)算斷面處的軌道中心三維坐標(biāo)值，可利用軌道與隧道中線設(shè)計(jì)高度值，將隧道中心高程值改正至軌道頂部高度上。

通過(guò)以上方法，可計(jì)算隧道設(shè)計(jì)線位的離散三維坐標(biāo)值。利用相鄰隧道斷面點(diǎn)的平面坐標(biāo)值，設(shè)定一定的斷面線長(zhǎng)度，計(jì)算垂直于相鄰斷面點(diǎn)連線的橫斷面線，如圖2所示。計(jì)算獲得的橫斷面線與相鄰斷點(diǎn)連線的法線向量一致，橫斷面線在線路中線的平面投影位于斷面點(diǎn)上。

2)隧道橫斷面點(diǎn)云分割

為了獲取待檢測(cè)斷面處一定厚度(沿線路里程方向)的激光點(diǎn)云，需要對(duì)整個(gè)隧道點(diǎn)云進(jìn)行矩形分割。利用上一步驟計(jì)算獲得的垂直隧道設(shè)計(jì)中線的橫斷面線，通過(guò)遍歷所有激光點(diǎn)云，判斷激光點(diǎn)至斷面線縱向距離(longitudinal distance，Long)以及至斷面線的正交距離(orthogonal distance，Ortho)。根據(jù)設(shè)定的斷面點(diǎn)云厚度(depth，沿里程方向的寬度)與斷面線的端點(diǎn)A和B進(jìn)行計(jì)算，如果點(diǎn)Pi至斷面線的縱向距離Long小于斷面線AB長(zhǎng)度，且Pi至斷面線的正交距離Ortho小于斷面厚度depth，即可判斷Pi屬于此斷面點(diǎn)云。利用公式(1)可實(shí)現(xiàn)隧道斷面點(diǎn)云分割：

式中Pi：第i個(gè)激光點(diǎn)；

Section_k、Section_other：第k個(gè)斷面的點(diǎn)云、其它斷面點(diǎn)云；

Long_Pi、Ortho_Pi：第i個(gè)激光點(diǎn)至斷面線的縱向距離、正交距離；

Length_AB：斷面線AB的長(zhǎng)度值；

Depth：斷面點(diǎn)云厚度，

上述距離、長(zhǎng)度、厚度的單位均為米，以下同。

為了提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割速度，首先對(duì)隧道點(diǎn)云構(gòu)建KD tree樹(shù)形結(jié)構(gòu)。以斷面線AB的中點(diǎn)O為圓心，進(jìn)行半徑R的快速搜索，再利用搜索的點(diǎn)云進(jìn)行矩形分割。經(jīng)過(guò)半徑搜索的方法對(duì)點(diǎn)云再進(jìn)行矩形分割，避免對(duì)全部點(diǎn)云進(jìn)行遍歷計(jì)算，提高矩形分割效率，搜索半徑R可根據(jù)公式2進(jìn)行計(jì)算。

Length_AB²+Section_depth²+δ²＝R² (2)

式中Length_AB——斷面線AB的長(zhǎng)度值；

Section_depth——斷面厚度值；

δ——半徑閾值。

通過(guò)點(diǎn)云分割獲得的隧道斷面點(diǎn)云，是位于隧道橫斷面兩側(cè)一定距離范圍的點(diǎn)云。隧道的超欠挖計(jì)算，也就是計(jì)算設(shè)計(jì)斷面點(diǎn)至實(shí)測(cè)斷面的最短距離。為了進(jìn)一步減少點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量、提高計(jì)算效率，可以提取出斷面點(diǎn)云的輪廓線。因隧道內(nèi)部存在局部積水或施工過(guò)程中產(chǎn)生的渣土，在掃描過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)云。通過(guò)斷面線提取算法，也可以剔除此類噪聲點(diǎn)對(duì)超欠挖檢測(cè)結(jié)果的影響。斷面點(diǎn)云輪廓線的自動(dòng)提取包括以下步驟：

1)斷面點(diǎn)云展開(kāi)

隧道斷面點(diǎn)云的展開(kāi)是通過(guò)投影計(jì)算，將斷面點(diǎn)云投影至XOY平面坐標(biāo)系。首先，通過(guò)遍歷斷面點(diǎn)云，計(jì)算激光點(diǎn)至隧道橫斷面線的正交距離(orthogonal distance，Ortho)，此正交距離值作為點(diǎn)云投影后的X軸的坐標(biāo)值。在計(jì)算正交距離時(shí)，忽略激光點(diǎn)和橫斷面線的高程值，僅計(jì)算其二維平面距離。其次，通過(guò)遍歷斷面點(diǎn)云，計(jì)算激光點(diǎn)與隧道設(shè)計(jì)中心或軌道面位置的高程差值(elevation distance，Elev)，此高程差值作為點(diǎn)云投影后的Y軸坐標(biāo)值。最后，將激光點(diǎn)云投影展開(kāi)的正交距離(Ortho)和高程差值(Elev)進(jìn)行結(jié)合，可以獲得斷面點(diǎn)云在XOY平面上的投影坐標(biāo)值。

2)斷面結(jié)構(gòu)線提取

國(guó)內(nèi)幾種常見(jiàn)的隧道結(jié)構(gòu)類型多為凸包形狀(convex hull)，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)，凸包結(jié)構(gòu)為包含所有內(nèi)部點(diǎn)的多邊形。本發(fā)明采用安得烈的單調(diào)鏈凸包算法(Andrew's monotone chain convex hull algorithm)，實(shí)現(xiàn)隧道斷面輪廓線的提取。首先，依據(jù)斷面點(diǎn)云投影后的X坐標(biāo)值，將斷面點(diǎn)進(jìn)行排序；其次，遍歷排序后的斷面點(diǎn)云，如果此斷面點(diǎn)與之前兩個(gè)點(diǎn)的方向非逆時(shí)針，即可判斷其為輪廓點(diǎn)。移除最后一個(gè)點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的判斷。最后，將分別獲取斷面輪廓線頂部和底部的輪廓線進(jìn)行連接，即可獲得隧道實(shí)測(cè)斷面線。

從上述凸包提取算法特性可知，通過(guò)此方法獲得的隧道斷面線，可以消除隧道內(nèi)部施工渣土對(duì)斷面線提取的影響。但是，由于隧道局部積水以及掃描儀測(cè)量誤差的影響，斷面點(diǎn)云會(huì)出現(xiàn)“遠(yuǎn)離”隧道結(jié)構(gòu)的少量激光噪聲點(diǎn)，此類少量孤立點(diǎn)會(huì)影響隧道斷面線提取結(jié)果。根據(jù)鄰域點(diǎn)的距離統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定判斷準(zhǔn)則進(jìn)行“離群點(diǎn)”判斷，實(shí)現(xiàn)孤立噪聲點(diǎn)剔除。也可以根據(jù)已知的隧道斷面形狀，選擇相應(yīng)的采樣模型，進(jìn)行隨機(jī)采樣一致性算法(RANdom SAmple Consensus，RANSAC)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)斷面點(diǎn)云濾波處理。

超欠挖是通過(guò)實(shí)測(cè)斷面與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行比較，計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)位的最短距離以及位置關(guān)系，判斷隧道開(kāi)挖狀態(tài)，超欠挖計(jì)算主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容。首先，計(jì)算設(shè)計(jì)斷面線上的節(jié)點(diǎn)至實(shí)測(cè)斷面線的最短距離，以判斷設(shè)計(jì)斷面節(jié)點(diǎn)與實(shí)測(cè)斷面線之間的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)超欠挖量值的判斷。其次，通過(guò)比較設(shè)計(jì)斷面線與實(shí)測(cè)斷面線的位置關(guān)系，獲得隧道超挖、欠挖區(qū)域，已進(jìn)行超欠挖面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算。進(jìn)行超欠挖自動(dòng)檢測(cè)的方法包括以下步驟：

1)超欠挖量值計(jì)算

設(shè)計(jì)斷面節(jié)點(diǎn)可定義為斷面線上的點(diǎn)，也可以指定步長(zhǎng)，通過(guò)線性重采樣設(shè)計(jì)斷面線上的點(diǎn)獲取。通過(guò)遍歷設(shè)計(jì)斷面的節(jié)點(diǎn)，判斷實(shí)測(cè)斷面線上距離此節(jié)點(diǎn)最近的線段，再通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)至線段的垂直距離，進(jìn)而鋒利超欠挖值。W.Randolph Franklin學(xué)者介紹了判斷點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)部的算法，本發(fā)明通過(guò)判斷設(shè)計(jì)斷面節(jié)點(diǎn)與隧道實(shí)測(cè)斷面線的位置關(guān)系，隧道實(shí)測(cè)斷面線為閉合多邊形，如果設(shè)計(jì)斷面線節(jié)點(diǎn)在隧道實(shí)測(cè)斷面線外側(cè)，則判定為欠挖，如果設(shè)計(jì)斷面線節(jié)點(diǎn)在隧道實(shí)測(cè)斷面線內(nèi)側(cè)，則判定為超挖。

2)超欠挖面積統(tǒng)計(jì)

超欠挖檢測(cè)另外一項(xiàng)重要的任務(wù)是分別統(tǒng)計(jì)超挖與欠挖面積。本發(fā)明采用Vatti clipping algorithm算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)斷面線與實(shí)測(cè)斷面線分割區(qū)域檢測(cè)與面積統(tǒng)計(jì)，此算法可以實(shí)現(xiàn)任意多邊形的相交計(jì)算。將隧道實(shí)測(cè)斷面線定義為被分割對(duì)象，將隧道設(shè)計(jì)斷面線定義為分割多邊形，利用隧道設(shè)計(jì)斷面線進(jìn)行分割。位于被分割對(duì)象內(nèi)側(cè)且位于分割多邊形外側(cè)的區(qū)域，即為超挖區(qū)域。反之，將隧道設(shè)計(jì)斷面線定義為被分割對(duì)象，將隧道實(shí)測(cè)多邊形定義為分割多邊形，進(jìn)行上述計(jì)算，即可獲得欠挖區(qū)域。通過(guò)計(jì)算多邊形面積，即可分別獲得超挖面積與欠挖面積。

實(shí)施例1

實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集選擇RIEGL VZ-1000型地面激光掃描儀，此設(shè)備在100米處絕對(duì)精度為8mm，相對(duì)精度為5mm；在最大采樣頻率模式下，可實(shí)現(xiàn)122萬(wàn)點(diǎn)/秒的掃描頻率；在被測(cè)物體反射率大于20％的情況下，最遠(yuǎn)可實(shí)現(xiàn)1400米距離的掃描。選擇天津某在建地鐵作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，使用Leica 1201自動(dòng)照準(zhǔn)型全站儀測(cè)量掃描儀靶標(biāo)坐標(biāo)，通過(guò)靶標(biāo)拼接的方式，實(shí)現(xiàn)多站掃描數(shù)據(jù)的拼接，使用4個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行拼接，其最大誤差不超過(guò)3mm。隧道內(nèi)相鄰測(cè)站距離控制在30米，相鄰測(cè)站中部區(qū)域相鄰點(diǎn)的平均距離約為10mm。

斷面點(diǎn)云分割

利用隧道設(shè)計(jì)平面和縱斷面資料的線路要素，建立隧道三維設(shè)計(jì)中線模型，再根據(jù)此設(shè)計(jì)中線模型，計(jì)算檢測(cè)斷面的三維坐標(biāo)值及線路橫斷面線?；诰€路橫斷面線，采用矩形分割算法對(duì)隧道點(diǎn)云進(jìn)行分割，獲得設(shè)定厚度的隧道斷面點(diǎn)云，其分割結(jié)果如圖3所示。

斷面線提取

分割斷面點(diǎn)云，經(jīng)過(guò)投影展開(kāi)至XOY平面，再通過(guò)安德烈凸包算法，進(jìn)行隧道斷面點(diǎn)云的包絡(luò)斷面線自動(dòng)提取。利用凸包算法的優(yōu)點(diǎn)，可以消除隧道內(nèi)施工渣土對(duì)斷面線提取的影響。斷面線提取結(jié)果如圖4所示。

超欠挖計(jì)算

為了模擬超欠挖工況，選擇車輛設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)包絡(luò)線作為隧道設(shè)計(jì)斷面線進(jìn)行檢測(cè)。如圖5a中所示，內(nèi)側(cè)多段線為設(shè)計(jì)斷面，外側(cè)圓形為點(diǎn)云提取的斷面線，計(jì)算此設(shè)計(jì)斷面線上定義的節(jié)點(diǎn)值至實(shí)測(cè)斷面線的最短距離，即為超欠挖量值，超挖為正直，欠挖為負(fù)值。如圖5b中所示，設(shè)計(jì)斷面線外側(cè)淺色區(qū)域?yàn)槌趨^(qū)域，設(shè)計(jì)斷面線頂部深色區(qū)域?yàn)榍吠趨^(qū)域。

結(jié)論

采用地面激光掃描方式進(jìn)行隧道的超欠挖檢測(cè)，一個(gè)測(cè)站的掃描時(shí)間約3分鐘，可以完成約30米長(zhǎng)度的隧道掃描，其測(cè)量效率高。通過(guò)靶標(biāo)測(cè)量與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式，激光點(diǎn)云絕對(duì)定位精度一般為5～8mm，相對(duì)測(cè)量精度約為3～5mm，滿足超欠挖檢測(cè)的精度要求。激光掃描方式獲得的隧道模型，還可以應(yīng)用于隧道中線測(cè)量、斷面測(cè)量、凈空收斂檢測(cè)，以及隧道滲水面積檢測(cè)、隧道裂縫、管片錯(cuò)臺(tái)等檢測(cè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)一次掃描，多種應(yīng)用分析的隧道健康評(píng)估。

地面激光掃描儀對(duì)隧道進(jìn)行分站式掃描，通過(guò)控制點(diǎn)將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和轉(zhuǎn)換，獲得隧道整體激光點(diǎn)云。基于隧道激光點(diǎn)云，可實(shí)現(xiàn)隧道超欠挖的自動(dòng)化檢測(cè)。