基于轨道移动式激光扫描多期点云的隧道断面变形提取方法

针对轨道移动式激光扫描技术监测地铁隧道变形的点云数据特征和隧道断面变形信息提取与分析的问题,本文提出了一种基于轨道移动式激光扫描点云的隧道断面变形提取方法和处理流程.首先采用RANSAC圆柱检测法提取地铁结构特征部位点云,利用提取的隧道结构点云进行点云的粗配准.然后设计了一种基于权重的ICP算法的精配准方法,精配准后的隧道点云通过切片点云降维处理得到二维断面数据,利用断面的k近邻点拟合曲线提取隧道断面变形值,并采用弧线投影的方法对断面变形表达.实验验证表明,提出的基于曲线拟合隧道断面变形分析的方法和过程,能够准确高效地提取到0.7 mm以上的地铁隧道断面变形信息.     

三维激光扫描在地铁隧道变形监测中的开发应用

地铁隧道进行变形监测时多采用全站仪进行,虽然其监测精度较高,但需在被测处放置特定装置,测量工作量大、效率低。三维激光扫描仪能提供视场内、有效测程的一定采样密度的点云数据,并具有较高的测量精度和极高的数据采集效率,可以有效地避免传统变形监测数据的局部性和片面性,即以点代面的分析方法的局限性。针对运营地铁线路要长期进行隧道变形监测的需求,本文开发了三维激光扫描数据处理系统,功能主要包括点云去噪、配准、断面提取和拟合。通过导入三维激光扫描仪采集的隧道点云数据可以生成不同里程隧道断面图和变化分析图,从而实现三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用。     

基于点云的TBM隧道成型质量检测方法及应用

以硬岩隧道掘进机(TBM)隧道围岩为研究对象,应用三维激光扫描技术检测TBM隧道成型质量,提出了基于三维激光扫描技术的TBM隧道成型质量自动检测方法.将车载云台和二维激光扫描仪组成的三维扫描装置安装在TBM主梁上,车载云台带着二维扫描仪朝刀盘方向快速旋转90°,通过旋转编码器将扫描仪的二维点云实时转换成隧道的三维点云,对点云进行隧道轴线计算、滤波、截取等预处理,通过截面提取与三次分段Hermite插值曲线拟合的方法计算围岩的剥落与塌方.提出了隧道成型质量参数并依据其判断隧道成型质量,结合TBM隧道工程实例进行分析,验证TBM隧道成型质量检测方法的可行性.采用本方法可实现在TBM施工过程中隧道成型质量同步进行检测,形成数字化测量体系.     

基于图像三维重建的隧道超欠挖检测方法研究

提出一种基于图像三维重建的隧道超欠挖检测方法。该方法基于计算机视觉运动恢复结构算法(SFM)和半全局匹配算法(SGM)实现隧道实际开挖轮廓图像三维点云重建,再利用Delaunay三角剖分算法实现隧道实际开挖轮廓三维曲面模型重建,并基于设计开挖轮廓线和中心轴线建立隧道设计开挖轮廓三维曲面模型;以蒙华铁路大围山隧道DK1665+454—DK1665+484作为工程试验段进行现场试验分析,对所提方法有效性进行验证。研究结果表明:通过隧道实际开挖轮廓三维曲面模型与设计的开挖轮廓三维曲面模型比较分析,可实现对不同类型隧道整体超欠挖状况、超欠挖值、超欠挖面积以及超欠挖体积进行检测与评价;隧道设计开挖轮廓三维曲面模型具有数据采集设备简单、不干扰施工、检测范围全面、检测结果准确的特点;图像三维重建检测方法可实现隧道超欠挖准确检测,检测精度与三维激光扫描检测方法的相近,且比传统检测方法的精度高。     

基于激光点云的隧道中心线自动提取算法

目的提出一种基于三维激光点云数据的隧道中心线自动提取方法,解决地铁盾构隧道中心线提取困难、精度低的问题.方法利用共有点坐标换算完成扫描仪坐标系和隧道工程坐标系的统一;截取一定厚度的隧道平面切片,并对切片点云去噪、滤波、投影,得到断面点云;通过改进的最小二乘椭圆拟合法,无需对所有断面点云拟合即可解算出精确的椭圆方程和该断面的中心点,利用二次样条曲线插值得出隧道中心线.结果通过对FARO FOCUS 3D X330获取的地铁隧道点云数据进行实验,笔者提出的方法能快速拟合出隧道断面,自动提取隧道中心线误差小于2.01 mm.结论该算法解决了以往隧道中心线提取方法速度缓慢且精度较差的缺陷,能对隧道施工以及隧道变形检测提供指导和借鉴.     

点云格网化滤波方法及其在隧道变形监测中的应用

将三维激光扫描技术应用于地铁隧道变形监测,针对点云数据的预处理问题,研究基于小波分析的点云格网化滤波方法。结合南京地铁隧道扫描点云数据及其特性,分析和选择合理的插值方法对隧道点云进行格网化处理,采用小波变换对格网点数据进行异常值探测,采用小波阈值去噪对格网点数据进行整体去噪,获得滤波后的点云并进行封装对比,获得了很好的滤波效果。     

基于三维激光扫描技术的高边坡变形监测分析

针对高速公路高边坡容易发生失稳破坏且监测难度大等问题,提出采用三维激光扫描技术对高边坡工程进行非接触式变形监测分析。为解决多期边坡对象的大体量点云数据难以配准问题,设计了一套基于边坡的永久性三棱锥作为控制点,通过各期点云数据中三棱锥特征提取相应控制点,对多期点云数据进行坐标系换算,进而实现多期点云数据的坐标配准,并对配准后的多期点云数据进行分析,运用算法程序处理并提取边坡变形信息。结果表明:利用三维激光扫描技术对高速公路高边坡进行自动化变形监测,能够获取边坡从局部到整体变形信息,提前预知边坡发展状况,对边坡的失稳破坏做出预警。可见,将三维激光扫描技术应用于高边坡的变形监测具有显著地优越性、可行性和应用价值。     

隧道三维激光扫描点云数据拼接技术研究

三维激光扫描技术可以实时、准确、全方位获取隧道空间变形数据,进行隧道监控量测,对施工变形分析和反分析,进行隧道施工风险预警预报,指导信息化施工,但点云数据的拼接质量直接影响到监测结果,该文对点云空间信息,几何特征信息,影像信息等进行分析,提出基于几何特征信息的拓扑拼接方法,工程实践表明,拼接质量好,误差小,速度快,适应于隧道监测信息化管理的要求.     

三维激光扫描仪在变形监测中的应用

本文以基坑和隧道为例,分别介绍了三维激光扫描仪在其变形监测中的应用,并结合Geomagic Studio软件对采集的点云数据进行了3D分析。工程实践表明,采用三维激光扫描技术得到的变形监侧结果与实际情况基本一致,其效果甚好。     

三维激光扫描技术在隧道变形监测及检测中的应用

为保证隧道的安全施工及运营,及时掌握隧道变形情况尤为重要.针对传统隧道监控量测方法中存在的测量效率低、精度有限以及需布置监控量测点等问题,引入三维激光扫描技术采集隧道全断面三维数据,通过色谱分析法对整体变形进行定性分析,更加直观、自动化地获取各部位变形情况,同时自动处理算法对重点区域进行平面特征拟合获取其形心坐标,通过分析形心位置变化情况定量获取隧道内部变形情况,且变形量测精度达到相关规程要求,同时通过与隧道设计BIM(building information modeling)模型的对比,快速检测施工质量及偏差,研究成果具有重要理论意义及实际价值.     

基于车载三维激光扫描结果的桥面变形分析

车载三维激光扫描技术能够直接对目标结构表面进行三维量测,并采用三维阵列点云的方式来生成结构物表面的三维形态和记录点位坐标,打破了传统的桥梁变形监测方法仅有数个独立点的局限性,扩大了桥面变形监测范围,提高了结构物的观测精度,并能快速、完整的进行量测。本文将车载三维激光扫描技术引入到桥梁变形监测中,基于全长331.2m的预应力混凝土连续-刚构桥为背景,采用三维激光扫描技术对其温度变形进行探索。在监测环境温差20℃范围内,对其进行多次桥面几何形态数据采集,并对采集的数据进行处理。对基于车载三维激光扫描点云数据的NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)曲面提出了一种新的变形测量方法,得到整个桥面的变形测量结果,再与采用有限元分析软件MIDAS CIVIL建模得到的各温差下理论变形数据进行对比,发现基于NURBS曲面的分析处理方法获得的变形测量值具有良好的精度和可靠性,并能够获取桥梁点-线-面的整体变形监测结果,与单点变形监测相比,弥补了其缺乏线性变形及整体变形特征的不足,有较好的工程应用前景。     

基于地铁隧道点云数据的组合滤波算法

目的提出一种点云数据组合的滤波方法,对地铁隧道的点云数据进行有效的精简滤波,提高地铁隧道结构变形分析的准确性.方法首先,对三维点云数据采用基于统计特征的滤波方法进行初步滤波,去除远离点云数据主体的离散点;其次,估算点云数据模型各数据点的高斯曲率,将点云数据分为突变区域和平滑区域;最后,采用双边滤波算法对突变区域点云数据进行滤波,采用改进的均值滤波算法对平滑区域点云数据进行滤波处理.结果通过对沈阳地铁隧道点云数据进行滤波实验及拟合圆半径分析,笔者所提组合滤波算法可以在保留隧道壁和轨道等结构的情况下,去除离散点和隧道壁上的无关非点等噪声;该算法对点云数据进行了有效精简,拟合圆的半径与设计半径差值更小,结果精度更高.结论笔者所提出的滤波算法可去除地铁三维点云数据的噪声点,并完整保留了隧道结构的几何细节特征,提高了变形分析的精度.     

基于约束配准的电力杆塔变形检测方法

在电力杆塔变形检测过程中,传统的方法因其成本优势一直被广泛使用。但是,随着新技术的发展,传统方法在检测过程中的劣势也更加显著。针对目前传统方法在电力杆塔变形检测过程中显现的检测效率低、精度差这一现象,将三维激光扫描技术引进;并提出了一种基于激光点云数据的杆塔变形检测方法;该系统考虑到杆塔的真实变形情况,在传统最近邻迭代(ICP)算法的基础上,设计了一种改进的带约束杆塔点云配准算法。此外,设计了一套完整的杆塔变形监测系统;该系统可实现对电力杆塔变形结果的偏差分析及可视化输出,全面地反映出杆塔的变形情况。系统的输入是能够反映电力杆塔表面真实坐标的点云数据,通过一系列高效的数据处理最终呈现高精度的变形结果。     

基于三维激光扫描点云的道路路面变形分析方法

针对常规的道路路面变形分析方法存在工序复杂、效率低、局限性较大且难以对路面的整体变形做出全面变形分析等特点,提出一种基于三维激光扫描技术对道路变形分析的方法。采用三维激光扫描技术获取运营中道路路面的点云数据,并建立道路路面数字化模型定性且定量地对道路路面进行变形分析,进而得到路面的整体变形区域和变形量。结果表明,通过三维激光扫描技术可以更加直观、简洁地对道路做出数字化分析,对道路病害监测技术的自动化发展有着极为重要的意义。     

基于约束配准的杆塔变形检测方法

在电力杆塔变形检测过程中,传统的方法因其成本优势一直被广泛使用。但是,随着新技术的发展,传统方法在检测过程中的劣势也更加显著。针对目前传统方法在电力杆塔变形检测过程中显现的检测效率低、精度差这一现象,本文创造性地将三维激光扫描技术引进,并提出了一种基于激光点云数据的杆塔变形检测方法。该系统考虑到杆塔的真实变形情况,在传统最近邻迭代（ICP）算法的基础上,设计了一种改进的带约束杆塔点云配准算法。此外,本文设计了一套完整的杆塔变形监测系统,该系统可实现对电力杆塔变形结果的偏差分析及可视化输出,全面地反映出杆塔的变形情况。该系统的输入是能够反映电力杆塔表面真实坐标的点云数据,通过一系列高效的数据处理最终呈现高精度的变形结果。     

点云数据在室内场景信息获取与装潢设计中的应用

以位于厦门市新城际广场商品房为研究对象,提出基于高精度、高速率的三维激光点云数据的室内场景三维信息研究.通过三维激光扫描,对采集的点云数据进行拼接、去噪等预处理,并基于点云数据运用算法,精确提取砖块和管道信息,绘制室内的几何平面图、二维线划图,实现室内信息数据的有效获取及分析.应用结果表明,三维激光扫描技术对室内三维数据的提取及场景设计效率高,大大降低了数据采集的时间成本和人工成本,提高了生成实践效率.     

头盔式激光扫描系统WHU-Helmet

轻小型穿戴式激光扫描系统具有成本低、体积小、易操作的特点,为室内外一体化三维地理信息获取提供了一种可行方案,是传统移动测量系统的有效补充。相比现有手持及背包激光扫描系统,基于头盔的观测平台与用户视线保持方向一致,具有“所见即所得”的特点,让作业人员双手得到了解放。以自主研发的头盔式激光扫描系统“WHU-Helmet”为对象,设计了基于多尺度正态分布变换的LiDAR-IMU SLAM算法,实现了在室内外环境无缝的实时三维点云数据获取。以两个典型室内外环境为实验区域（办公楼、地铁站）,将“WHU-Helmet”获取的三维点云与地面式激光扫描系统获取的三维点云对比,平均误差小于0.44 m,均方根误差小于0.23 m,表明了头盔式激光扫描系统在室内外一体化三维测图中具有巨大的潜力。     

郑州市极端暴雨灾后交通工程隐患应急检测分析

极端暴雨灾后，郑州市区道路、地铁隧道等交通工程易产生道路基底脱空、隧道变形渗水等病害。为了查明这些隐患，根据暴雨灾后隐患类别及各类检测方法的特点，通过组合车载三维探地雷达、拖曳式瞬变电磁、移动三维激光扫描等多种检测方法，对道路空洞、隧道病害进行了应急检测。结果表明：采用车载三维探地雷达与拖曳式瞬变电磁相结合，可有效避免单一方法的局限性，快速查明道路工程的脱空、渗漏等病害；采用移动三维激光扫描普查隧道结构信息，再利用探地雷达对重点病害进行详查，可快速查明隧道工程安全状况。     

基于点云的隧道改建工程BIM建模方法与实践

为解决隧道改建工程中,难以根据地表真实岩体形态对隧道模型进行动态设计与调整的问题,通过遥感测绘(无人机倾斜摄影和地面激光扫描)技术与建筑信息建模(building information modeling,BIM)相结合,形成了一套新的隧道线路布设和结构设计方法。首先,采用无人机倾斜摄影建立地表实景模型,利用地面激光扫描技术采集隧道和外围山体的表面信息,分别从整体和细节层面分析隧道状态。其次,提出一种隧道BIM自适应建模方法:采用分段两点三次Hermite插值方法创建样条曲线作为隧道中心线,将中心线分段后,采用自适应点控制各段隧道结构单元模型的截面轮廓,通过扫掠截面创建隧道的整体模型。最后,针对隧道线路上某点进行求导后,将该点法平面近似作为隧道的横断面,将BIM模型与点云模型集成后,通过比对横断面检验隧道改建方案的合理性,并以河北省平涉公路井陉隧道改建工程为背景进行了方法验证与应用。结果表明:基于隧道BIM自适应建模方法编写的建模程序所建立的隧道模型在曲线段无裂隙或嵌入,通过改变参数可以调整隧道的线形与几何结构;将隧道点云和BIM模型相集成,能够表现设计隧道、既有隧道及外侧岩壁的相对位置关系;利用Revit进行二次开发,实现了隧道任意里程处的横断面剖切,断面视图可正确表达隧道设计。该方法有效结合了BIM和遥感测绘技术,有助于设计中规避不良地质区域和设计良好的隧道结构。     

八自由度全自动隧道喷浆机器人系统设计

对一款八自由度隧道喷浆机械臂进行了全自动喷浆系统的设计,引入虚拟关节并结合D-H(DenavitHartenberg)参数表来建立正向运动学模型,通过固定关节角法进行机械臂逆向运动学解算.采用激光雷达实现隧道面三维数据的采集,并对原始点云数据进行了去噪、采样、隧道面提取和中轴线提取等处理.采用点云切片技术处理三维点云数据,根据待喷面检测结果实现最优喷涂轨迹规划.最后采用模糊自整定PID控制算法控制机械臂各关节运动以实现全自动喷浆.在搭建的模拟隧道环境下进行了真机实验验证,设计的机器人能够全自动地实现三维扫描、待喷面识别、轨迹规划和运动控制功能,具有隧道全自动喷浆的能力.