基于3D激光扫描仪的隧道初支喷射混凝土厚度检测方法

摘要

本发明公开了一种基于3D激光扫描仪的隧道初支喷射混凝土厚度检测方法，包括：在待测量区域后方的隧道围岩上至少设置三个棋盘标靶板，且棋盘标靶板的中心点连接后形成一个平面；在隧道初支混凝土喷射前后，分别利用3D激光扫描仪对待测量区域进行测量，得到第一点云数据和第二点云数据；拼接第一点云数据和第二点云数据，然后在拼接生成的点云数据中提取得到喷射区域的第三点云数据；其中，拼接点云数据的定位基准为平面；利用标准点云数据对第三点云数据进行处理得到喷射混凝土厚度。3D激光扫描仪实现对隧道初支喷射混凝土进行自动检测，结合设计要求对喷射混凝土量进行对比，可根据检测结果对后续施工提供指导性建议，实现了智能化。

说明书

技术领域

本发明属于隧道喷射混凝土厚度检测技术领域，具体涉及一种基于3D激光扫描仪的隧道初支喷射混凝土厚度检测方法。

背景技术

目前，我国隧道初期支护大量使用喷锚支护方法，喷锚支护在初期支护中具有不需要模板，强度高，粘结力好，成本较低等优点，但由于缺少模板的限制，喷射的混凝土存在过量或不足的现象。为了提高施工质量、满足设计要求，需对隧道断面初期支护精确化施工提出更高要求，因此，对喷混厚度及体积的检测并根据检测结果指导施工显得尤为关键。近年来，随着3D激光扫描技术的日渐成熟，为开发一种基于3D扫描仪的隧道初期支护喷射混凝土厚度及体积等参数的检测方法打下了坚实基础。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于3D激光扫描仪的隧道初支喷射混凝土厚度检测方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于3D激光扫描仪的隧道初支喷射混凝土厚度检测方法，包括：

步骤(1)：在待测量区域后方的隧道围岩上至少设置三个棋盘标靶板，且所述棋盘标靶板的中心点连接后形成一个平面；

步骤(2)：在隧道初支混凝土喷射前后，分别利用3D激光扫描仪对待测量区域进行测量，得到第一点云数据和第二点云数据；

步骤(3)：拼接所述第一点云数据和第二点云数据，然后在拼接生成的点云数据中提取得到喷射区域的第三点云数据；其中，拼接所述点云数据的定位基准为所述平面；

步骤(4)：利用标准点云数据对所述第三点云数据进行处理得到喷射混凝土厚度；所述标准点云数据为根据设计图纸生成的隧道断面的点云数据。

进一步地，所述步骤(4)包括：

步骤(4.1)：根据所述第三点云数据与标准点云数据进行坐标轮换和轮廓拟合，得到第四点云数据；

步骤(4.2)：根据所述第四点云数据计算并得到所述喷射混凝土厚度。

进一步地，所述步骤(4.1)中，利用ICP算法及最小二乘法进行所述第三点云数据与标准点云数据的坐标轮换和轮廓拟合。

进一步地，所述步骤(4.2)中，利用弧形截面切割法对所述第四点云数据进行计算，得到所述喷射混凝土厚度。

本发明的有益效果：

1、本发明借助3D激光扫描技术，可实现站点自由设置，无接触，无损伤的对喷射混凝土进行扫描检测以获得其点云数据；通过对点云数据的分析处理，能够大大提高检测精度，缩短检测速度，降低检测成本，检测方法及操作也更加快捷高效，可以满足各种环境下的喷混厚度检测；

2、通过3D激光扫描仪实现对隧道初支喷射混凝土进行自动检测，结合设计要求对喷射混凝土量进行对比，可根据检测结果对后续施工提供指导性建议，实现了智能化，且不影响隧道的正常运营。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为棋盘标靶板的结构示意图；

图3为第一点云数据的示意图；

图4为第二点云数据的示意图；

图5为第三点云数据的示意图；

图6为第三点云数据处理后的结果示意图；

图7为第三点云数据与标准点云数据坐标转换以及轮廓拟合后的效果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例提供了一种基于3D激光扫描仪的隧道围岩爆破土方量检测方法，请参见图1，具体包括以下步骤：

步骤(1)：在待测量区域后方的隧道围岩上至少设置三个棋盘标靶板，且所述棋盘标靶板的中心点连接后形成一个平面。

所述棋盘标靶板如图2所示，且在实际使用中，该棋盘标靶板至少为三个，且至少三个棋盘标靶板的中心不共线，三个中心点连接后形成一个平面，其主要用来定位，用于定位的棋盘标靶板测量前后位置应保持不变。与3D激光扫描仪配套的软件可识别棋盘标靶板的中心点，若其能识别三个不共线的中心点，则可以实现对爆破前后测量点云数据的拼接。

步骤(2)：在隧道初支混凝土喷射前后，分别利用3D激光扫描仪对待测量区域进行测量，得到第一点云数据和第二点云数据；如图3和图4所示。

本发明实施例中所述的第一点云数据和第二点云数据指扫描所得初期支护断面像素点的三维坐标，其为3D激光扫描仪测量数据的一部分信息，直接提取即可。

若3D激光扫描仪测量得到的第一点云数据和第二点云数据过大，在满足测量精度的要求下可以采用常规算法进行点云稀释处理，以从而提高后续配准拟合的算法效率。

3D激光扫描仪测量前，需进行三脚架调平及合理调整仪器测量范围，从而提高测量效率。

该3D激光扫描仪站点设置可以自由选取，无需全站仪等仪器配合，操作方便，且其可独立设站，前后站点无需重合。

步骤(3)：拼接所述第一点云数据和第二点云数据，然后在拼接生成的点云数据中提取得到喷射区域的第三点云数据；其中，拼接所述点云数据的定位基准为所述平面。

读取第一点云数据和第二点云数据，并利用棋盘标靶板形成的平面的三维轮廓对第一点云数据和第二点云数据进行拼接，即将第一点云数据中的棋盘标靶板形成的平面的三维坐标与第二点云数据中的棋盘标靶板形成的平面的三维坐标进行重合；然后在重合后的点云数据中提取得到喷射区域的第三点云数据，如图5所示。如果第三点云数据量过大，可以进行进一步处理，取出多余无用的信息，如图6所示。

步骤(4)：利用标准点云数据对所述第三点云数据进行处理得到喷射混凝土厚度；所述标准点云数据为根据设计图纸生成的隧道断面的点云数据。

进一步地，步骤(4)可以包括以下步骤：

步骤(4.1)：根据所述第三点云数据与标准点云数据进行坐标轮换和轮廓拟合，如图7所示，得到第四点云数据。

具体地，利用ICP算法及最小二乘法进行所述第三点云数据与标准点云数据的坐标轮换和轮廓拟合。

通过求两个点云数据之间的旋转平移矩阵，将第三点云数据变换到与标准点云数据相同的坐标系下，从而便于后续的计算，最小二乘法用于计算在拟合过程中的误差，从而使得轮廓拟合结果更为准确。

步骤(4.2)：根据所述第四点云数据计算并得到所述喷射混凝土厚度。

具体地，利用弧形截面切割法对第四点云数据进行计算，得到所述喷射混凝土厚度。

该弧形截面切割法通过将喷射混凝土的拱形夹角切割，用拱形的半径减去喷射完混凝土后的拱形半径，得到每个切割面中的喷射混凝土厚度，通过求取各切割面厚度的平均值从而得到喷射混凝土厚度。

通过对喷射混凝土厚度沿弧长积分，得到喷射混凝土的面积，再乘以喷射混凝土的宽度，从而得到喷射混凝土的体积。

根据计算得到的喷射混凝土的厚度与设计厚度值进行对比，可以判断喷射的混凝土是否存在过量或者不足，从而可以评价爆破的质量；同时，如果对每个切割面的厚度值进行比较，若有厚度值超过设计值，说明该切割面所在位置爆破超挖；若有厚度值小于设计值，则说明该切割面所在位置爆破欠挖，从而可以为下次爆破提供指导性的建议。

同时，从3D激光扫描仪扫描得到的喷射混凝土后的轮廓图可以看出喷射质量。此外，根据喷射混凝土的体积可以计算得到混凝土的有效利用率。

该检测方法在青岛地铁6号线05工区工程上钱塘江路站进行了实际应用，通过使用3D激光扫描仪测量并利用数学算法对比喷射混凝土前后的点云数据，得到喷射混凝土厚度及体积的检测结果，进而用于指导下一阶段的施工；该检测方法工作可靠性高，测量速度快，使用效果好，便于推广使用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。