基于IMU、设计数据与实测断面的隧道空间重建方法和系统与流程

本发明涉及隧道三维重建，具体涉及基于imu、设计数据与实测断面的隧道空间重建方法和系统。

背景技术：

1、隧道作为交通基础设施的核心组成部分，在长期运营过程中会受地质条件、施工误差、车辆荷载、地下水渗流等因素影响，产生管片沉降、收敛变形、错台、裂缝等结构病害。及时、精准地获取隧道真实三维空间形态，是开展结构健康监测、病害诊断与修复决策的关键前提。

2、当前隧道三维空间重建主流技术及存在的缺陷包括：

3、（1）基于移动测量系统（mms）的方法：依靠imu（惯性测量单元）和里程计进行航位推算，再利用gnss（全球导航卫星系统）或控制点进行全局纠偏。其缺陷在于：隧道内gnss信号缺失，长距离运行后imu的误差会累积漂移，导致重建的隧道线形扭曲、管片错台（相邻两片管片在接缝处的径向高差）量被平滑或放大，无法真实反映结构状态。

4、（2）基于设计数据（cad/bim）的纯粹理论模型：此模型是理想状态，完全不包含施工误差和运营期产生的真实变形（如管片沉降、收敛、错台），无法用于病害检测和状态评估。

5、（3）基于断面点云的直接拼接方法：依赖激光扫描仪获取的断面轮廓进行连续拼接，对隧道的纵向线形约束极弱，易受局部噪声（如电缆、支架）影响，导致重建的隧道在纵向上出现蛇形扭曲。

6、综上，现有方法无法在长距离、无gnss的隧道环境中，同时保证重建模型在宏观线形上符合设计逻辑，在微观细节上精准呈现真实变形与错台。

技术实现思路

1、本发明提供基于imu、设计数据与实测断面的隧道空间重建方法和系统，以解决现有隧道三维重建技术在长距离无gnss环境下无法同时保证宏观线形准确与微观变形保真的技术问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本发明的第一方面，提供了基于imu、设计数据与实测断面的隧道空间重建方法，包括：

4、获取检测小车沿隧道行进时的imu数据和由三维激光扫描仪采集的各断面的点云数据；

5、以所有断面的位姿参数的集合作为待优化的估计变量，构建全局优化目标函数；所述全局优化目标函数包括：

6、imu刚性约束项，用于约束各相邻断面的估计的相对位姿与由所述imu数据得到的相对位姿之间的差异；

7、设计轴线约束项，用于约束各断面的估计的中轴线与设计中轴线在短距离内允许偏离，在长距离上保持线形一致；

8、断面自约束项，用于约束经位姿变换处理后的相邻断面之间的点云重叠区域的几何一致性；所述位姿变换处理为通过优化后的各断面的位姿参数的估计值，将各断面的点云数据变换至统一的全局坐标系下；

9、以最小化所述全局优化目标函数为优化目标，以每个断面的实测位姿为估计变量的初始值，采用非线性优化算法进行迭代求解，得到每个断面的最优位姿；其中，所述实测位姿由所述imu数据进行积分得到；

10、根据每个断面的最优位姿，将各断面的点云数据变换至统一的全局坐标系下，生成完整的隧道三维空间点云模型。

11、进一步地，所述imu刚性约束项表示为各相邻断面的估计的相对位姿与由所述imu数据得到的相对位姿之间的残差向量：

12、；

13、；

14、其中，表示imu刚性约束项，表示断面i的相对位姿与断面i+1的相对位姿之间的残差向量；

15、 为由imu数据推算的相邻断面的相对位姿，，、分别表示由imu数据推算的断面i和断面i+1的位姿矩阵；

16、为当前次迭代计算的相邻断面的相对位姿，，、分别表示当前次迭代计算的断面i和断面i+1的位姿矩阵。

17、进一步地，所述设计轴线约束项包括局部位置约束子项和偏离量平滑约束子项；

18、所述局部位置约束子项表示为每个断面的中心点与设计中轴线上对应里程点的偏差之和，并允许断面中心点在预设范围内偏离设计中轴线，以在短距离内保留真实变形；

19、所述偏离量平滑约束子项表示为每个断面与设计中轴线上对应里程点的偏差差异之和，以在长距离上迫使断面的中轴线拟合设计中轴线。

20、进一步地，所述偏离量平滑约束子项采用基于里程差的自适应约束，表示为：

21、；

22、其中，、分别表示待优化的断面i和断面j与设计中轴线在对应里程处的偏差，，，、分别表示断面i和断面j的估计的中心点坐标，、分别表示断面i和断面j的里程，、分别表示设计中轴线在里程和处的坐标；

23、表示里程自适应权重，其由断面i与断面j之间的里程差  确定： 越大，则越大。

24、进一步地，所述里程自适应权重由基于里程差的分段函数确定：

25、；

26、其中，为第一距离阈值，为第二距离阈值，表示最大设置权重。

27、进一步地，所述局部位置约束子项表示为：

28、；

29、；

30、其中，，表示待优化的断面i与设计中轴线在对应里程处的偏差，表示断面i的里程，表示设计中轴线在里程处的坐标，表示允许的断面中心点偏离设计中轴线的最大阈值。

31、进一步地，所述断面自约束项表示为：

32、；

33、其中，为通过最近邻搜索在经位姿变换处理后的断面i和经位姿变换处理后的断面i+1的点云重叠区域内建立的同名点对集合；表示断面i的原始点云数据中的一点，表示断面i+1的原始点云数据中的一点；

34、、分别表示断面i和断面i+1的位姿矩阵。

35、进一步地，所述非线性优化算法采用梯度下降法或高斯-牛顿法；

36、在每次迭代中，计算当前位姿估计下各约束项的残差向量及雅可比矩阵；

37、根据所述残差向量及雅可比矩阵求解各位姿参数的增量，并根据所述增量更新各位姿参数；

38、重复迭代求解过程，直至各约束项的残差下降量小于预设阈值或者迭代求解次数达到最大迭代次数，输出每个断面的最优位姿。

39、进一步地，所述全局优化目标函数表示为：

40、；

41、其中 、、分别表示imu刚性约束项、设计轴线约束项和断面自约束项的信息矩阵，、、为各约束项的权重系数，用于调节不同约束项的置信度。

42、本发明的第二方面，提供了基于imu、设计数据与实测断面的隧道空间重建系统，包括：

43、数据获取模块，用于获取检测小车沿隧道行进时的imu数据和由三维激光扫描仪采集的各断面的点云数据；

44、目标函数构建模块，用于以所有断面的位姿参数的集合作为待优化的估计变量，构建全局优化目标函数；所述全局优化目标函数包括：

45、imu刚性约束项，用于约束各相邻断面的估计的相对位姿与由所述imu数据得到的相对位姿之间的差异；

46、设计轴线约束项，用于约束各断面的估计的中轴线与设计中轴线在短距离内允许偏离，在长距离上保持线形一致；

47、断面自约束项，用于约束经位姿变换处理后的相邻断面之间的点云重叠区域的几何一致性；所述位姿变换处理为通过优化后的各断面的位姿参数的估计值，将各断面的点云数据变换至统一的全局坐标系下；

48、优化求解模块，用于以最小化所述全局优化目标函数为优化目标，以每个断面的实测位姿为估计变量的初始值，采用非线性优化算法进行迭代求解，得到每个断面的最优位姿；其中，所述实测位姿由所述imu数据进行积分得到；

49、三维重构模块，用于根据每个断面的最优位姿，将各断面的点云数据变换至统一的全局坐标系下，生成完整的隧道三维空间点云模型。

50、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

51、第一，通过imu刚性约束保证了相邻断面相对运动的物理合理性，避免了点云拼接中的局部扭曲；第二，通过设计轴线约束允许短距离上小幅度真实变形（如沉降、错台），长距离上强制实测中轴线整体拟合设计线形，从而消除了imu的累积漂移；第三，断面自约束项利用点云重叠区域进行精配准，进一步抑制了局部噪声。三个约束项协同作用，使得最终重建的隧道模型在宏观线形上与设计基准一致，在微观尺度上保留了真实变形与错台，解决了现有技术中宏观与微观不可兼得的技术问题。