基于三维激光扫描自动获取隧道全断面变形处理技术

基于三维激光扫描自动获取隧道全断面变形处理技术谢雄耀教授同济大学土木工程学院副院长2017年中国测绘地理信息技术装备展览会2017年10月21日内容概况4点云建模方法的工程应用3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法2地下工程三维激光扫描数据采集方法1绪论5结论1绪论研究背景收敛计巴塞特系统全站仪传统测量技术局限：有限个点的高精度测量，无法获取整体变形信息隧道工程基坑工程全站仪全站仪测斜仪1绪论地形测量文物保护钢结构工程桥梁工程1绪论研究意义现存问题•三维激光扫描技术能够快速全面测量结构变形•如何进行测量结果的提取•在保证精度的前提下，高效的扫描目标点云•扫描得到的点云数据没有实际意义，从无序的点云坐标中获取工程所需的各类信息1绪论地下工程变形的点云数据处理方法作者时间研究工作缺点陈致富2012运用Cyclone和Geomagic软件对两次点云数据进行对比获取了基坑变形。点云数据处理方法大都较为粗略，将扫描后的点云直接导入相关点云后处理软件。陈德立2014运用NURBS曲面构造模拟冠梁表面结构，并通过几次扫描数据的对比获取了冠梁的变形Han2013从2次扫描获取的点云数据中分别提取隧道轮廓线，通过计算法线方向的最小投影距离，得到最终的变形数据。将三维的点云数据转化为二维的横断面，再进行拟合处理获取隧道收敛变形。托雷2012用三次样条曲线拟合隧道断面Delaloye2012用椭圆拟合方法获取横断面收敛变形1绪论研究内容与技术路线生成单环管片三维变形云图生成连续管片三维变形云图基于点云规则网格化三维激光扫描的地下工程变形数据处理方法研究基坑工程现场数据采集点云数据预处理隧道工程现场数据采集点云数据预处理上海地铁6号线及上海长江西路隧道工程案例应用基于点云规则网格化的基坑点云数据三维建模形成基坑整体三维模型基于点云规则网格化的隧道点云数据三维建模结论内容概况4点云建模方法的工程应用3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法2地下工程三维激光扫描数据采集方法1绪论5结论2地下工程三维激光扫描数据采集方法2.1基坑点云数据采集方法测站1测站2测站3测站9测站7测站8测站6测站5测站4基坑工程属于敞开的方形构造，在布设激光扫描测站时通常需要围绕基坑四周进行布设。上海某地铁车站北基坑测站布设2地下工程三维激光扫描数据采集方法要获得基坑围护结构的变形，需要将不同时期测量获得的点云数据进行比对，要使不同时期扫描的基坑点云坐标匹配到大地绝对坐标系中，须布设变形测量基准点。布设原则：①基准点的数量应大于5个，在施工条件复杂的情况下应增加基准点数量；②基准点应布设在牢固可靠的支架上，尽量避免被扰动；③关于基准点的位置应与施工方进行充分的沟通，确保施工过程中不对其产生干扰；④在基坑附近布设基准点，应定期标定其坐标的变化。2地下工程三维激光扫描数据采集方法2.2基坑点云数据预处理测站1点云测站2点云测站3点云测站4点云测站5点云测站6点云测站7点云测站8点云测站9点云原始数据导入点云拼接完成2地下工程三维激光扫描数据采集方法2.3隧道点云数据采集方法圆心激光扫描仪圆心激光扫描仪（a）测站位于竖向中心线（b）测站位于圆心圆心激光扫描仪圆心激光扫描仪（a）测站偏心布设（b）测站位于边缘中心布设偏心布设隧道工程属于长条式的封闭结构，测站的布设必然是需要沿着隧道的前进方向进行布设，同时由于其结构的封闭性，扫描的方式也应该利用扫描仪全空间扫描的特点进行360°扫描以获取完整的隧道三维点云数据。激光扫描仪单站布设：2地下工程三维激光扫描数据采集方法2.3隧道点云数据采集方法区段1区段2测站扫描范围测站1测站3测站4测站5测站6测站2测站标靶激光扫描仪测站间距：以65°入射角作为限值，当激光扫描仪恰好位于隧道圆心处时，2.1倍隧道内径为激光扫描测站间距最优值。而对于偏心布设，由于其相对于中心布设来说稍差一些，所以测站的间距宜取得更小一些。对于一般隧道而言其内部的通视条件都是比较理想的，所以完全可以几个测站共同使用同一组标靶。2地下工程三维激光扫描数据采集方法2.4隧道点云数据预处理（a）现场真实环境（b）点云图测站2测站6测站10测站12上海某电力顶管隧道原始数据导入点云拼接完成内容概况4点云建模方法的工程应用3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法2地下工程三维激光扫描数据采集方法1绪论5结论3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.1点云分割由于三维激光扫描仪在对目标进行扫描获取其三维点坐标的同时，也会获取目标的RGB色彩信息，根据目标物体组成材质的不同，其最后模块中反映得到的色彩信息是不同的，利用这一点将隧道分割成一环一环。3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.2点云去噪同基坑点云处理一样，由于隧道结构除了管片之外还会存在一些管线、灯管等杂物，需要在Modelspace模块中将其作为噪声点删除。同样通过旋转、缩放等手段尽可能将各噪声点去除。3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.3点云圆柱面拟合通过圆柱面拟合以提取该环管片的轴线点坐标，为后续的坐标变换打下基础。所谓点云圆柱面的拟合，即通过算法将实测得到的点云数据最佳匹配到理论的圆柱面上。在模块中，为使用者提供了根据点云数据进行圆柱面拟合的功能，可以在很短的时间内完成点云圆柱面的拟合。111221331nnnxyzxyzPxyzxyz3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.4坐标变换确定管片点云的观察方向：圆柱面拟合结果：轴线点A和B沿着隧道的前进方向为正向，即观察的方向为：ABa将轴线点A作为轴线上的一个固定点一同进行坐标变换3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法(1)绕z轴旋转(2)绕y轴旋转1111111cossin0sincos0001PPaaAA2122212122cos0sin010sin0cosppaaAA1arctanyxaa121arctanzxaa3.2.4坐标变换3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法x轴与隧道轴线方向一致，坐标原点位于隧道轴线上(3)平移变换3.2.4坐标变换322322322min()AAxxxyyxzzz3333,,Pxyz332233arctan()()iiiiiizyyz将直角坐标系的点云坐标转换为三维柱坐标系，即x轴坐标不变，将y和z坐标变成极坐标形式3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.5点云进一步降噪处理经过点云去噪之后，仍然会有一小部分距离管片比较近的干扰点没有被去除。采取基于标准差的点云降噪方法，将管片点云按照环内角度，以1度为间隔分为360组数据，计算每一组点云的径向坐标的平均值E以及相应的标准差，通过点云的径向坐标与该组点云的平均值E的差值作为检验的目标，该差值超过3倍标准差即认为此点为噪声点，将其剔除。3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.6管片点云规则网格化在柱坐标系中进行点云规则网格化，在环向以一定的角度为间隔（如1°），将360°的圆划分为n等分。然后沿管片轴向以一定的长度，将环宽划分为m等分，将该区域内的点云径向坐标求取平均值作为特征点的径向坐标，并以此进行管片三维变形的计算。3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.7生成单环管片三维变形云图利用特征点的径向坐标减去隧道的设计内半径，即可以得到相应的管片变形值。通过Matlab程序将不同的变形值赋予RGB值，这样就可以通过色彩信息表示出来3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.8生成连续管片三维变形云图(3)2(3)2(3)2min()AAgxgxxgygyxgzgzz22(2)(2)(2)(3)(3)(3)22cos0sin,,,,010sin0cosgxgygzgxgygz11(1)(1)(1)(2)(2)(2)11cossin0,,,,sincos0001gxgygzgxgygz(1)(1)(1)(1),,gPgxgygz,,gPgxgygz平移逆变换绕y轴旋转逆变换绕z轴旋转逆变换,,jetRGB(1)(1)(1)(1),,,,,gPgxgygzRGB网格化点集转为直角坐标系3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.8生成连续管片三维变形云图传统二维椭圆拟合方法3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法3.2.8生成连续管片三维变形云图对任意断面进行切片：内容概况4点云建模方法的工程应用3基于点云规则网格化的地下工程变形数据处理方法2地下工程三维激光扫描数据采集方法1绪论5结论4点云建模方法的工程应用上海地铁6号线东方体育中心站至灵岩南路站区间隧道衬砌外径为6.2m，内径为5.5m，衬砌采用预制钢筋混凝土管片，每环管片的宽度为1m，厚度为35cm。4.1上海地铁6号线东方体育中心站至灵岩南路站区间隧道4点云建模方法的工程应用4.1.3三维激光扫描仪精度分析基于点云规则网格化的三维建模方法得到现场三维激光扫描测量所获取的管片三维云图，剖切任意三个断面得到0.5m、1m、1.5m对应的横断面轮廓线，与全站仪数据进行比对。4点云建模方法的工程应用4.1.3三维激光扫描仪精度分析角度（°）测量误差（mm）角度（°）测量误差（mm）5.00.043155.6-0.08511.5-0.076162.10.13218.10.841168.5-0.21624.60.648175.2-1.8531.20.475181.7-1.01937.70.53188.30.5444.3-0.346194.80.53650.80.587201.4-0.39257.4-0.344207.9-1.08463.9-0.553214.50.23470.52.279221.00.43277.1-0.269227.6-0.23183.6-1.011234.1-0.089…………0.5m处环向切片同全站仪测点数据的测量误差平均值为0.05mm，标准差为0.7mm；1m处环向切片测量误差平均值为-0.15mm，标准差1.0mm；1.5m处环向切片的测量误差平均值-0.16mm，标准差1.0mm。说明三维激光扫描仪相较于全站仪的准确度和精密度都较为理想。4点云建模方法的工程应用4.1.4现场数据采集采取测站中心架设的布设方式，测站与测站之间采用多测站共用标靶的方式扫描仪黑白标靶通过塑封将纸质的标靶密封的里面，可以黏贴在隧道的管片内壁上。利用该扫描仪纸质标靶，将2天扫描得到的点云数据拼接起来。4点云建模方法的工程应用4.1.4现场数据采集原始数据导入点云拼接完成4点云建模方法的工程应用4.1.5隧道三维变形云图隧道1-20环的变形相对较小，基本都在-10mm~10mm之间，同时变形呈现出一个斜向椭圆柱面的大致趋势。之后隧道的管片变形逐渐增加，同时变形呈现出上下顶部收缩，左右中部扩张的横椭圆柱面的大致趋势。4点云建模方法的工程应用4.1.5隧道三维变形云图环号最大收敛变形（向环外/向环内）（mm）最大变形位置（向环外/向环内）0212.67/-10.83距前端0.175m近2点钟处/距前端0.175m近4点钟处0312.31/-12.28距前端0.775m近1点钟处/距前端0.975m近5点钟处0411.92/-12.83距前端0.275m近2点钟处/距前端0.975m近5点钟处0511.91/-12.34距前端0.275m近3点钟处/距前端0.175m近12点钟0612.65/-12.36距前端0.325m近2点钟处/距前端0.225m近5点钟处0712.98/-8.87