基于点云数据的隧道监测方案设计及方法研究

摘要

随着我国交通事业的大发展，地铁、铁路、公路等交通设施建设日新月异，隧道工程建设也呈现持续上升状态，其中隧道质量问题成为隧道建设、线路运营的关键因素，为使得人民生命财产安全得到有效保障，对隧道工程进行全生命周期的形变监测具有十分重要的意义。随着三维激光扫描技术的迅速发展，以及所具备测量速度快，持续性好，精度高，可进行三维可视化表达，抗干扰能力强等特点，被广泛应用于三维建模、文物保护和变形监测等领域。
　　将三维激光扫描技术应用于隧道的形变监测中，重点研究点云数据滤波去噪、中轴线提取、隧道连续断面提取、断面形变分析、点云中提取隧道平曲线要素、点云数据多期整体叠加对比分析等关键技术，旨在建立一套完整的点云隧道监测模型，通过点云数据可以更加高效全面的对隧道形变信息进行提取、分析，为隧道工程的监测、验收以及运营维护提供新的途径。本文在点云数据处理和隧道形变信息提取中主要完成以下工作:
　　(1)研究分析三种隧道点云中轴线的提取算法，从这三种提取算法中选取最适合、最高效的中轴线提取算法。从三维点云中提取隧道中轴线是研究隧道变形监测的基础，中轴线可以为后期提取隧道连续断面提供依据，也可以为后期提取隧道平面曲线要素提供基础。
　　(2)对隧道点云按里程进行连续断面提取，并将得到的断面进行坐标转换后投影到XOZ面上采用椭圆模型对断面进行拟合去噪，并对断面的椭圆度、长短半轴、净空收敛值等进行计算分析，分析隧道在空间上的形变量;为更好的分析隧道断面的形变机理，通过RGB颜色变化来表示断面的收敛情况，柱状图表示断面各级形变量所占的比例，折线图表示断面形变趋势，对整个断面的形变进行详细分析。
　　(3)为提取隧道平曲线要素，本文引入曲率特征算法，通过直线、缓和曲线、圆曲线的曲率特征不同对隧道平曲线进行大致分段，根据得到的直线参数和圆曲线参数不断迭代以及运用正交最小二乘法不断优化得到精确的平曲线参数。
　　(4)为使公路隧道点云数据可以进行多期对比分析，本文提出固定基准点法，该方法不仅统一公路隧道点云数据每一期的坐标系，而且还提高了坐标转换的精度。统一坐标系后的点云数据进行叠加，不仅可以对隧道拱顶和底部进行沉降分析，还可以通过规则格网化后对隧道进行整体的叠加分析。将叠加后的结果与点云对比软件Cloudcompare的结果进行对比，结果基本一致。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文研究内容

2 三维激光扫描技术及隧道监测应用方案设计

2．1 三维激光扫描系统基本原理

2．2 三维激光扫描技术的分类

2．2．1 按三维激光扫描载体分类

2．2．2 按扫描原理分类

2．2．3 扫描仪种类

2．2．4 Z+F IMAGER 5010C三维激光扫描仪

2．3 三维激光扫描技术与传统监测技术的对比

2．4 点云数据特点

2．5 点云管理与方案设计

2．6 点云数据预处理

2．6．1 点云导入拼接

2．6．2 点云去噪

2．6．3 点云精简

2．6．4 点云导出

2．7 本章小结

3 基于点云数据的隧道变形信息提取技术

3．1 隧道变形监测

3．1．1 隧道监测的目的

3．1．2 隧道监测的内容

3．1．3 隧道传统监测方法

3．2 隧道中轴线提取

3．2．1 极坐标法中轴线提取

3．2．2 微分法拟合边界线

3．2．3 微分算法改进

3．2．4 中线提取方法比较

3．3 连续断面提取

3．4 地铁隧道断面拟合

3．4．1 最小二乘拟合圆曲线

3．4．2 最小二乘椭圆曲线拟合

3．4．3 椭圆参数计算

3．4．4 断面滤波算法

3．5 断面形变分析

3．6 平曲线要素提取

3．6．1 平曲线概略主点识别

3．6．2 平曲线精确主点识别

3．6．3 仿真数据模拟

3．7 本章小结

4 地铁应用案例分析

4．1 工程概况

4．2 地铁隧道变形监测规范

4．3．1 长短半轴分析

4．3．2 全站仪数据分析

4．3．3 数据对比分析

4．3．4 断面形变分析

4．4 地铁隧道平曲线要素提取

4．5 本章小结

5 公路隧道应用案例分析

5．1 工程概况

5．2 沉降监测

5．2．1 坐标转换

5．2．2 数据分析

5．3 断面形变分析

5．4 规则格网数据比较

5．4．1 格网化

5．4．2 形变统计

5．4．3 Cloudcompare点云分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果