一种隧道LiDAR点云处理与变形检测方法及装置与流程

本发明涉及隧道结构健康检测，具体涉及一种隧道lidar点云处理与变形检测方法及装置。

背景技术：

1、隧道工程是交通运输行业的核心基础设施，广泛应用于公路、铁路等领域，其结构健康状况直接关系到交通运输的安全与稳定。随着我国隧道建设规模的扩大和运营年限的增加，衬砌变形、路面沉降、检修道偏移等结构病害日益突出，对隧道检测技术提出了更高要求。

2、目前，隧道检测主要依赖人工测量、光学仪器检测等传统方法，存在检测效率低、劳动强度大、检测精度有限、数据处理繁琐等痛点。随着lidar技术的发展，lidar点云检测因具有高效、全面的优势，逐渐应用于隧道检测领域，但现有lidar点云处理技术仍存在诸多不足：在隧道无信号场景下，两期点云数据易出现偏移误差，导致点云对齐精度低；中轴线拟合采用传统b样条曲线，难以适配隧道弧形轮廓，拟合精度不足；变形检测多为单一维度，无法全面覆盖衬砌、路面、检修道的变形情况，且异常判定不够精准；同时，现有系统操作复杂，对操作人员专业要求高，难以满足工程现场的高效检测需求。

3、因此，开发一种能够解决上述技术痛点，实现点云精准对齐、高精度中轴线拟合、多维度变形检测，且操作简便的隧道lidar点云处理与变形检测方法及装置，成为当前隧道检测领域的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种隧道lidar点云处理与变形检测方法及装置，通过核心算法优化和模块设计，提升点云对齐及变形检测精度，简化操作流程，适配隧道无信号场景，满足工程现场高效检测需求。

2、在本发明实施例的第一方面中，提供了一种隧道lidar点云处理与变形检测方法，包括：

3、s1、点云数据预处理：加载隧道两期lidar点云数据，采用dbscan算法对点云数据进行自动去噪，同时通过框选去噪手动保留目标区域点云数据；

4、s2、基准校正：提取隧道施工缝作为控制点，导入控制点数据；构建粗路径线，粗路径线包括第一粗路径线和第二粗路径线，基于第一粗路径线计算第一期沿线距离，基于第二粗路径线计算第二期沿线距离，基于第一期沿线距离和第二期沿线距离计算得到第二期控制点的修正沿线距离，基于修正沿线距离完成两期点云粗基准对齐；

5、s3、中轴线拟合：生成隧道截面，基于隧道截面获取质心坐标，基于质心坐标生成截面轮廓线；提取两侧检修道的侧面竖向点云，基于两侧检修道的侧面竖向点云获取两侧检修道的边界线，获取两侧边界线的局部中心xf和间距xl，基于间距xl筛选出未超第一预设阈值的合格隧道截面，基于合格隧道截面的质心坐标和局部中心xf坐标拟合生成隧道中轴线；

6、s4、变形检测：对隧道截面进行衬砌变形检测，对隧道路面进行变形检测，对隧道截面进行检修道变形检测；

7、s5、数据导出：将隧道截面信息、变形检测结果、中轴线信息导出。

8、作为本发明实施例的优选，s1中，点云数据为las 1.2/1.3版本格式；对点云数据进行自动去噪具体为通过设置邻域半径和最小邻域点数以剔除点云数据中的离群点及无效点；通过框选去噪手动保留目标区域点云数据具体为通过鼠标框选目标区域以剔除框选外的点云数据。

9、作为本发明实施例的优选，s2中，导入控制点数据具体包括导入包含控制点编号、三维坐标及所属期数的控制点数据，控制点数据包括第一期控制点和第二期控制点；构建粗路径线具体包括以隧道第一车道路径线为基准，通过手动绘制或导入shp矢量文件的方式构建第一粗路径线和第二粗路径线；基于第一粗路径线计算第一期沿线距离具体包括将第一期控制点投影至第一期粗路径线上并计算投影点距离路径起点的长度以得到第一期控制点的第一期沿线距离；基于第二粗路径线计算第二期沿线距离具体包括将第二期控制点投影至第二期粗路径线上并计算投影点距离路径起点的长度以得到第二期控制点的第二期沿线距离。

10、作为本发明实施例的优选，通过以下公式计算得到第二期控制点的修正沿线距离：

11、

12、其中， 为第二期控制点的修正沿线距离， 为第二期控制点的第二期沿线距离，为第一期控制点的第一期沿线距离。

13、作为本发明实施例的优选，s3中，生成隧道截面具体包括基于粗路径线并按预设截面间距、截面宽度生成隧道截面；基于隧道截面获取质心坐标具体包括将隧道截面内点云投影至垂直于粗路径线的投影平面，调用dbscan算法剔除投影平面内的离群点，计算投影平面内有效点云的质心坐标；基于质心坐标生成截面轮廓线具体包括采用改进b样条曲线拟合算法并以质心坐标为基准生成截面轮廓线；提取两侧检修道的侧面竖向点云具体包括通过直方图算法提取检修道侧面竖向点云；基于两侧检修道的侧面竖向点云获取两侧检修道的边界线具体包括剔除极端点后采用最小二乘算法拟合得到左、右检修道边界线。

14、作为本发明实施例的优选，s4中，对隧道截面进行衬砌变形检测具体包括：以一期隧道中轴线为圆心将一期隧道截面的投影平面按角度分成若干个区域，获取每一区域的一期轮廓线到圆心的距离一；以二期隧道中轴线为圆心将二期隧道截面的投影平面按角度分成若干个区域，获取每一区域的二期轮廓线到圆心的距离二；计算对应区域距离一和距离二的差值以作为衬砌变形量，判定衬砌变形量是否超出第二预设阈值，当某一区域的衬砌变形量超出第二预设阈值时，将该区域标记为衬砌异常；

15、对隧道路面进行变形检测具体包括：将一期隧道进行分段，计算每一路段的一期路面高程；将二期隧道进行分段，计算每一路段的二期路面高程；计算对应路段一期路面高程和二期路面高程的差值以作为路面变形量，判定路面变形量是否超出第三预设阈值，当某一路段的路面变形量超出第三预设阈值时，将该路段标记为路面异常；

16、对隧道截面进行检修道变形检测具体包括：获取每一一期隧道截面的一期局部中心xf和一期高程最高点；获取每一二期隧道截面的二期局部中心xf和二期高程最高点；计算对应隧道截面的一期局部中心xf和二期局部中心xf的差值以作为检修道x方向变形量，计算对应隧道截面的一期高程最高点和二期高程最高点的差值以作为检修道y方向变形量，判定检修道x方向变形量是否超出第四预设阈值以及检修道y方向变形量是否超出第五预设阈值，当某一隧道截面的检修道x方向变形量超出第四预设阈值或检修道y方向变形量超出第五预设阈值时，将该隧道截面标记为检修道异常。

17、作为本发明实施例的优选，s5中，将隧道截面信息、变形检测结果、中轴线信息导出具体包括将隧道截面信息、变形检测结果、中轴线信息分别以cad、shp矢量、excel报表、txt分析报告格式导出。

18、在本发明实施例的第二方面中，提供了一种隧道lidar点云处理与变形检测装置，包括：

19、点云数据预处理模块，配置为加载隧道两期lidar点云数据，采用dbscan算法对点云数据进行自动去噪，同时通过框选去噪手动保留目标区域点云数据；

20、基准校正模块，配置为提取隧道施工缝作为控制点，导入控制点数据；构建粗路径线，粗路径线包括第一粗路径线和第二粗路径线，基于第一粗路径线计算第一期沿线距离，基于第二粗路径线计算第二期沿线距离，基于第一期沿线距离和第二期沿线距离计算得到第二期控制点的修正沿线距离；

21、中轴线拟合模块，配置为生成隧道截面，基于隧道截面获取质心坐标，基于质心坐标生成截面轮廓线；提取两侧检修道的侧面竖向点云，基于两侧检修道的侧面竖向点云获取两侧检修道的边界线，获取两侧边界线的局部中心xf和间距xl，基于间距xl筛选出未超第一预设阈值的合格隧道截面，基于合格隧道截面的质心坐标和局部中心xf坐标拟合生成隧道中轴线；

22、变形检测模块，配置为对隧道截面进行衬砌变形检测，对隧道路面进行变形检测，对隧道截面进行检修道变形检测；

23、数据导出模块，配置为将隧道截面信息、变形检测结果、中轴线信息导出。

24、在本发明实施例的第三方面中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现根据第一方面所提供的方法。

25、在本发明实施例的第四方面中，提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器，以及与一个或多个处理器关联的存储器，存储器用于存储程序指令，程序指令在被一个或多个处理器读取执行时，执行根据第一方面所提供的方法。

26、综上，本发明具有如下有益效果：

27、解决了隧道无信号场景下的点云偏移问题：通过动态距离修正算法，基于两期控制点沿线距离差值补偿，实现两期点云精准对齐，大幅提升点云处理精度，避免偏移误差对检测结果的影响；

28、提升了中轴线拟合精度：采用改进b样条曲线拟合算法，结合质心定位和检修道参数筛选，剔除异常截面，生成的中轴线更贴合隧道实际走向和轮廓中心，为变形检测提供可靠基准；

29、实现多维度精准变形检测：涵盖衬砌、路面、检修道三个维度，衬砌变形按角度分区检测，路面变形基于高程差分析，检修道偏移计算双向差值，异常判定精准，全面反映隧道结构健康状况；

30、操作简便、效率高：优化操作流程，提供可视化交互界面，核心功能一键触发，支持批量处理和多格式数据导出，降低操作人员专业要求，适配工程现场高效检测需求；

31、实用性强、适配性广：支持多种格式数据导入导出，可与cad、gis、excel等软件兼容，适用于公路、铁路等各类隧道的结构健康检测，具有较高的推广价值。

32、进一步地或者更细节的有益效果将在具体实施方式中结合具体实施例进行说明。