基于最小包圍盒算法提取隧道三維軸線的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于最小包圍盒算法提取隧道三維軸線的方法，該方法通過(guò)變角度步長(zhǎng)的隧道最小包圍盒算法提取襯砌環(huán)的點(diǎn)云切片，然后將提取的點(diǎn)云切片按橢圓或圓模型擬合求解中心坐標(biāo)，再經(jīng)平曲線二階連續(xù)和縱曲線二階連續(xù)的方法對(duì)隧道軸線進(jìn)行平滑處理，最終獲得高精度的隧道三維中軸線。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，利用三維激光掃描原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)并基于最小包圍盒算法自動(dòng)提取單圓盾構(gòu)的三維軸線，精度高，速度快，可供隧道軸線檢測(cè)、直徑收斂提取、生成正射影像等使用；此外，可避免傳統(tǒng)處理方法需要預(yù)先輸入隧道設(shè)計(jì)軸線或?qū)崪y(cè)軸線的弊端，從而大大提高數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于最小包圍盒算法提取隧道三維軸線的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于隧道工程測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于最小包圍盒算法提取隧道 三維軸線的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隧道的中軸線是隧道內(nèi)部空間中心位置處與其延伸方向相平行的一條虛擬曲線， 反映了隧道的空間姿態(tài)和走勢(shì)，是隧道縱斷面提取的前提。
[0003] 使用全站儀測(cè)量盾構(gòu)隧道的三維軸線時(shí)，傳統(tǒng)方法一般采用全站儀按一定間隔實(shí) 測(cè)襯砌環(huán)片斷面多個(gè)特征點(diǎn)，以圓擬合模型求解環(huán)片中心坐標(biāo)作為隧道軸線。實(shí)際作業(yè)時(shí)， 需人工在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)瞄準(zhǔn)觀測(cè)，實(shí)測(cè)斷面數(shù)量有限。該方法多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，因襯砌環(huán)特 征點(diǎn)坐標(biāo)采集的任意性，測(cè)量成果容易受人為因素的影響。
[0004] 使用三維激光掃描數(shù)據(jù)提取隧道中軸線的方法包括：曲線擬合法，針對(duì)散亂點(diǎn) 集的曲線擬合可以采用最小二乘法（generalizedleastsquares，GLS)，移動(dòng)最小二乘 法（MovingLeast-Squares，MLS)，隨機(jī)米樣一致性算法（RandomSampleConsensus, RANSAC)，樣條曲面擬合法等。In-KwonLee詳細(xì)論述了基于MLS的中軸線擬合方法；托雷 通過(guò)RANSAC算法和GLS算法完成隧道中軸線的提取。此外，SooheeHan通過(guò)將隧道點(diǎn)云 數(shù)據(jù)投影到二維平面上，再利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的骨架提取方法獲得隧道的中軸線。上述 算法未考慮隧道底切變(沉降）或拼接導(dǎo)致的隧道三維軸線扭轉(zhuǎn)，因此對(duì)于提取隧道的直徑 存有一定的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于最小包圍盒算法提 取隧道三維軸線的方法，該方法利用變角度步長(zhǎng)的隧道最小包圍盒算法提取襯砌環(huán)的點(diǎn)云 切片，從而獲得高精度的隧道三維中軸線。
[0006] 本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成： 一種基于最小包圍盒算法提取隧道三維軸線的方法，其特征在于所述方法包括如下步 驟： (1) 通過(guò)單站三維激光掃描獲取隧道點(diǎn)云，將所述的隧道點(diǎn)云以初始角度步長(zhǎng) 繞堅(jiān)直方向軸進(jìn)行0°?360°的旋轉(zhuǎn)，其中，k=l、2、3…，j為迭代次數(shù)，取整

【權(quán)利要求】
1. 一種基于最小包圍盒算法提取隧道三維軸線的方法，其特征在于所述方法包括如下 步驟： (1) 通過(guò)單站三維激光掃描獲取隧道點(diǎn)云，將所述的隧道點(diǎn)云以初始角度步長(zhǎng) q =(Sk)^Aa繞堅(jiān)直方向軸進(jìn)行0°?360°的旋轉(zhuǎn)，其中，k=l、2、3…，j為迭代次數(shù)，取整 數(shù)，Λ α為固定步長(zhǎng)的最小旋轉(zhuǎn)角度；根據(jù)每次旋轉(zhuǎn)后的所述隧道點(diǎn)云的坐標(biāo)范圍生成包 圍盒ΑΑΒΒ，并計(jì)算其相應(yīng)的體積Vi,之后從中找出最小的體積Vmin ;記錄所述隧道點(diǎn)云從初 始位置到包圍盒AABB最小體積位置處時(shí)繞堅(jiān)直方向軸旋轉(zhuǎn)的角度α，并根據(jù)包圍盒AABB 的長(zhǎng)邊方向識(shí)別所述隧道的軸線方向； (2) 在（_α/2, α/2)角度范圍內(nèi)，以角度步長(zhǎng)《 = (2^〕〃.Δα重復(fù)步驟（1)，以更新Vmin 和α的值； (3) 重復(fù)步驟（2)，減小角度步長(zhǎng)為. Δα，直至減小角度步長(zhǎng)到 ? =(2^〃 . Δα ,其中n=j,計(jì)算此時(shí)所述隧道點(diǎn)云從初始位置到包圍盒AABB最小體積位置 處時(shí)繞堅(jiān)直方向軸旋轉(zhuǎn)過(guò)的最終角度α，獲取所述隧道點(diǎn)云位于該位置處時(shí)的最小包圍盒 AABB ； (4) 基于所述隧道點(diǎn)云的最小包圍盒AABB生成若干所述隧道襯砌環(huán)的點(diǎn)云切片； (5) 對(duì)步驟（4)中提取的若干所述點(diǎn)云切片分別進(jìn)行整體橢圓或圓擬合，并分別求解得 到所述橢圓或圓的三維中心坐標(biāo)，將各所述三維中心坐標(biāo)按里程順序連接為空間曲線并做 平滑處理，以構(gòu)成所述隧道的中軸線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小包圍盒算法提取隧道三維軸線的方法，其 特征在于所述步驟（4)中生成所述點(diǎn)云切片的步驟為：?jiǎn)握救S激光掃描的所述隧道點(diǎn) 云的原始點(diǎn)集為
，點(diǎn)集P的坐標(biāo)范圍為
其中η為所述隧道點(diǎn)云的分割段數(shù)，m為各段所述隧道 點(diǎn)云內(nèi)的點(diǎn)數(shù)；平面集τ表示為Γ = ，其法矢指向所述隧道軸線方向，其中
之后定義各段所述隧道點(diǎn)云的中間位置為 對(duì)應(yīng)段的投影參考面，所述投影參考面可通過(guò)
）計(jì)算，其 中ε為各段所述隧道點(diǎn)云的厚度；將各段所述隧道點(diǎn)云內(nèi)的所有點(diǎn)投影至該段的所述投 影參考面，以生成各段所述隧道點(diǎn)云的點(diǎn)云切片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小包圍盒算法提取隧道三維軸線的方法，其特征 在于所述平滑處理所利用的方法是平曲線二階連續(xù)和縱曲線二階連續(xù)計(jì)算方法。
【文檔編號(hào)】G06T15/00GK104392476SQ201410726428
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】王令文, 周理含, 謝海燕, 王吉, 許正文 申請(qǐng)人:上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司