一种在圆形盾构隧道中校正移动扫描姿态的方法

一种在圆形盾构隧道中校正移动扫描姿态的方法

　　技术领域

　　本发明涉及隧道监测技术领域，具体涉及一种在圆形盾构隧道中校正移动扫描姿态的方法。

　　背景技术

　　在城市交通中，地铁是其中最为重要的一环。随着测绘新技术的发展，地铁隧道的施工和安全监测已经从传统的现场勘察、人工判断等简易监测方式发展到高精度的半自动化和自动化监测阶段，高精度的测绘手段被用于城市大型公共基础设施的安全性监测。

　　三维激光扫描设备采集点云数据不需要特定装置，具有数据采集快、数据量大、效率高等优势，不仅能够得到高精度、高密度的点云，而且还能得到隧道内部的正射影像图，通过影像图可以很好的得到隧道管片的渗水、漏缝、错台等情况，降低了人工识别的难度和不准确性。

　　隧道移动扫描是一种集合了三维激光扫描仪等多种传感器在内的移动扫描设备，可以在轨道上快速移动，获取隧道内部变形及病害信息。移动扫描开始前，往往需要对扫描仪进行初始姿态的校正，确保扫描断面垂直于隧道中轴线，减小影像成果变形，提高检测精度。

　　由于地铁隧道中无GPS信号，无法使用GPS+惯导的组合定位模式，传统姿态调整手段一般通过人眼大致瞄准、借助参照物辅助等方法进行，精度往往难以满足要求。实用新型专利201620811698.X所使用的通过激光校正器也可完成扫描姿态的确定，但是使用了外部辅助设备进行扫描仪姿态调整，增加了设备成本。

　　发明内容

　　本发明的目的就是为了克服上述现有技术的缺点而提供的一种在圆形隧道中校正移动扫描姿态的方法，无需人工或利用参照物照准，无需外部设备辅助，快速完成扫描断面垂直于隧道中轴线，减少扫描断面垂直于隧道中轴线的误差。

　　本发明的目的可以通过以下技术方案来实现，包括：

　　步骤 S1：固定移动扫描设备，连接扫描仪，使用球扫描模式下扫描当前位置的圆形盾构隧道点云；

　　步骤 S2：扫描结束后自动读取该测站点云，剔除明显噪声并对该站点云进行圆柱面拟合，计算拟合的圆柱中轴线在XY平面投影与Y轴夹角，即为当前扫描仪0°方向与隧道中轴线的夹角θ，其中Z轴指向竖直方向，Y轴指向水平方向，X轴指向里程方向；

　　步骤S3：控制扫描仪旋转步骤S3中计算得到的角度θ，使扫描断面垂直于隧道中轴线，同时记录扫描设备的俯仰角与旋转角，从而实现移动扫描设备姿态矫正。

　　所述步骤1中的点云采集软件是PC端上自主开发软件，用于控制并操作扫描仪。

　　所述步骤2中圆柱面拟合为点云采集软件中的一个功能。

　　所述步骤2中根据最小二乘法进行圆柱面拟合，通过最小二乘法获取七个待定参数(a,b,c)、(x,y,z)、R，根据七个待定参数将扫描点云拟合圆柱面，其中，(a,b,c)为拟合圆柱中轴线上一点，(x,y,z)为拟合圆柱中轴线单位向量，R为拟合圆柱面的半径。

　　所述步骤2中圆柱面的拟合具体为：设定待定参数的初始值，迭代得到待定参数的平差值，根据拟合结果删除残差大于设定值的点云得到新的点云，再将此次的待定参数平差值作为初始值对新的点云数据进行迭代，直至某次迭代后待定参数的改正值小于设定的阈值。

　　所述步骤3中扫描仪要旋转的角度，为扫描点云拟合的圆柱面的中轴线在xy平面内的投影与y轴的夹角。

　　所述步骤3中扫描仪的旋转，通过点云采集软件计算出的旋转角自动控制扫描仪旋转。

　　附图说明

　　图1为本发明所示的圆形盾构隧道中校正移动扫描姿态的方法的工作流程图；

　　图2为本发明移动扫描数据采集示意图；

　　图3为圆柱面拟合的示意图；

　　图4为扫描仪要旋转的角度在xy平面内的示意图。

　　具体实施方式

　　下面结合附图和具体实施实例对本发明进行详细说明。本实例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

　　本发明公开了一种在圆形隧道中校正移动扫描姿态的方法，涉及现场测量和软件处理两方面。现场测量方面，本发明以任一圆形隧道作为扫描目标，通过软件控制扫描仪采用三维激光扫描技术进行测量，点云自动传输并记录到PC端硬盘的指定目录中；软件处理阶段，软件自动读取记录的点云数据，剔除明显的噪声，通过改进的圆柱面拟合算法，得到扫描仪的0°方向和隧道中轴线的夹角，进而通过软件控制扫描仪旋转此角度实现扫描仪的扫描断面与隧道中轴线的垂直。

　　如图1所示，当确定了一条圆形隧道为测量对象后，校正移动扫描姿态的方法包括：

　　步骤S1：移动扫描开始前，建立点云采集程序与扫描仪之间的连接，利用软件控制扫描仪以球模式完成一测站扫描。

　　步骤S2：扫描完成后，软件自动读取记录的点云数据，根据改进的圆柱面拟合算法拟合为圆柱面并计算得到扫描仪0°方向和隧道中轴线的夹角。

　　如图3所示，步骤S2中根据最小二乘法进行圆柱面拟合，通过最小二乘法获取七个待定参数(a,b , c)、(x0, y0,z0)、r，根据七个待定参数将扫描点云拟合圆柱面，其中，(x0,y0,z0)为拟合圆柱中轴线上一点P，(a,b , c)为拟合圆柱中轴线单位向量a，r为拟合圆柱面的半径。

　　本发明对圆柱面的拟合进行了改进：设定待定参数的初始值，迭代得到待定参数的平差值，根据拟合结果删除残差大于设定值的点云得到新的点云，再将此次的待定参数平差值作为初始值对新的点云数据进行迭代，直至某次迭代后待定参数的改正值小于设定的阈值。

　　具体推导过程如下，要唯一确定圆柱，需要圆柱轴线的方向向量(a,b , c)和轴线上某一点坐标(x0, y0,z0)，以及圆柱半径r。由此，可得圆柱的中心轴线的参数方程为：

　　

　　其中，t为参数向量。

　　根据圆柱面的几何特征，圆柱面可以看成到一条定向直线的距离为某一常数的点集合。空间圆柱面的方程可表示为：

　　

　　其中，(x, y, z)为空间圆柱面上的点，(a, b, c)为单位向量。将上式进一步展开整理得：

　　

　　则误差方程可列为：

　　

　　需要对上式进行线性化。在线性化的过程中，由于上式各参数之间的相关性比较大，舍去了高次项对参数的计算结果影响比较大，而且需要对参数的初始值要求比较高，否则，可能导致迭代不收敛或者收敛到错误的结果。

　　为了在保证最优参数解的前提下，可任意选取平差过程中参数的初始值, 因此需要对误差方程进行相应的变换，并顾及条件 。令误差方程为：

　　

　　对上式进行线性化得：

　　

　　上式中，

　　

　　

　　

　　其中， 是对7个参数求偏导；r0和R0为代入参数近似值后的圆柱半径。

　　由于x0, y0,z0这3个参数相关，而a, b, c也是相关的，需要对参数进行约束。又由于圆柱中心轴线需要指定大小和方向。故规定：

　　

　　其中， 。

　　顾及以上约束条件和误差方程，进行迭代求解，以收敛得到最佳的近似参数估值。

　　步骤S3：通过软件控制扫描仪旋转此角度实现扫描仪的扫描断面与隧道中轴线的垂直。此旋转角θ即为拟合圆柱面中轴线投影到xy平面后与y轴的夹角，如图4所示。

　　在扫描仪姿态调整完成后即可利用扫描仪对该段隧道进行扫描。