一种基于隧道全断面点云与环向影像融合的病害巡查预警方法及系统与流程

本发明涉及隧道检测及数字化运维，具体涉及一种基于隧道全断面点云与环向影像融合的病害巡查预警方法及系统。

背景技术：

1、隧道在长期服役过程中，受围岩荷载变化、地下水渗透、施工缺陷、材料老化以及车辆振动等因素影响，衬砌表面可能出现裂缝、渗漏、剥落、错台、接缝张开和局部变形等病害。为及时掌握隧道结构状态，通常需要沿隧道延伸方向进行周期性巡查，并将不同巡查期次的检测结果进行比较，以判断病害是否继续发展。

2、现有隧道巡查技术中，高分辨率影像能够较清楚地反映裂缝、渗漏、变色和表面剥落等纹理异常，但影像本身缺少可靠的三维空间信息。全断面点云能够反映隧道衬砌的空间轮廓、径向变形、错台和局部凹陷等几何特征，但对于宽度较小或者仅表现为颜色和纹理变化的病害，其识别能力相对有限。因此，将隧道全断面点云与环向影像进行融合，是提高病害识别和定位能力的一种可行方式。

3、然而，隧道巡查设备通常在移动状态下连续采集点云和影像。受采集时刻差异、设备速度变化、姿态测量误差、传感器标定误差以及车辆振动等因素影响，环向影像按照采集位姿映射至点云坐标后，仍可能存在局部位置偏差。与此同时，隧道中的环缝、纵缝、螺栓孔、排水孔和附属设施等结构往往沿隧道轴向或环向重复分布，若仅依赖局部图像纹理或单个特征点进行配准，容易将当前区域错误对应至相邻的相似结构区域。

4、上述局部位置偏差不仅影响单次巡查中影像病害与点云异常之间的对应关系，还会在多期巡查比较过程中进一步累积。同一病害在不同巡查期次下可能因映射误差而表现为位置移动、边界扩展或者面积变化，导致系统将配准误差误认为病害真实发展，或者将同一病害错误识别为不同病害。现有技术通常在完成点云与影像配准后直接使用配准结果进行病害融合和多期比较，对配准后仍然存在的局部位置不确定性缺少连续处理，因而容易造成病害误关联和预警结果失真。

5、因此，有必要提供一种新的隧道病害巡查预警方法，在完成点云与环向影像局部校正的基础上，对校正后仍然存在的位置误差进行空间量化，并使该量化结果继续参与跨模态病害关联、跨期病害身份识别以及病害变化量判断，以提高隧道病害巡查预警结果的可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于隧道全断面点云与环向影像融合的病害巡查预警方法及系统，以解决现有技术中点云与环向影像的局部映射偏差容易造成病害跨模态错误关联，并进一步导致多期病害变化判断不准确的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于隧道全断面点云与环向影像融合的病害巡查预警方法，包括如下步骤：

3、获取隧道在至少两个巡查期次下的全断面点云、环向影像及对应的采集位姿数据；

4、根据所述全断面点云建立隧道空间基准，并根据所述采集位姿数据将所述环向影像映射至所述隧道空间基准；

5、从所述全断面点云和所述环向影像中提取相互对应的结构基准特征，根据所述结构基准特征对所述环向影像与所述隧道空间基准之间的映射关系进行局部校正，并根据局部校正状态确定对应局部区域的位置不确定域；

6、从所述环向影像中提取表观病害区域，并从所述全断面点云中提取几何异常区域，将所述表观病害区域和所述几何异常区域转换至所述隧道空间基准，根据所述位置不确定域关联所述表观病害区域和所述几何异常区域，以形成病害对象；

7、根据所述病害对象与对应结构基准特征之间的相对位置关系，确定所述病害对象的空间身份信息；

8、根据不同巡查期次下病害对象的空间身份信息以及对应的位置不确定域，关联不同巡查期次中的同一病害对象；

9、根据所关联病害对象在不同巡查期次下的测得变化以及对应的位置不确定域，确定所述病害对象的有效变化量；

10、根据所述有效变化量输出病害巡查预警结果。

11、在一种实施方式中，所述隧道空间基准包括沿隧道延伸方向划分的多个基准区段以及各所述基准区段对应的轴向位置和环向位置。

12、在一种实施方式中，所述结构基准特征为在所述全断面点云和所述环向影像中均能够被识别且相对于隧道衬砌位置稳定的结构特征；

13、根据所述结构基准特征进行局部校正，包括根据多个结构基准特征之间的排列关系和空间关系，确定所述环向影像与所述隧道空间基准之间的局部位置对应关系。

14、在一种实施方式中，所述位置不确定域根据所述结构基准特征的匹配偏差、结构基准特征的分布状态以及对应局部区域的数据质量中的至少一种确定。

15、在一种实施方式中，形成所述病害对象，包括：

16、根据所述表观病害区域对应的位置不确定域，确定所述表观病害区域与所述几何异常区域之间的允许位置偏差；

17、将满足所述允许位置偏差及预设病害关联条件的表观病害区域和几何异常区域关联为跨模态病害对象；

18、将未与几何异常区域关联的表观病害区域形成影像病害对象，和/或将未与表观病害区域关联的几何异常区域形成点云病害对象。

19、在一种实施方式中，所述空间身份信息包括所述病害对象所在的基准区段以及所述病害对象相对于至少一个结构基准特征的位置关系；

20、关联不同巡查期次中的同一病害对象，包括：

21、根据所述空间身份信息筛选不同巡查期次下相互对应的候选病害对象；

22、根据所述候选病害对象各自对应的位置不确定域确定允许关联偏差；

23、根据所述空间身份信息和所述允许关联偏差，确定不同巡查期次中的同一病害对象。

24、在一种实施方式中，确定所述有效变化量，包括：

25、确定同一病害对象在不同巡查期次下的位置变化、范围变化和病害参数变化中的至少一种测得变化；

26、确定所述测得变化中能够由不同巡查期次对应的位置不确定域解释的误差变化；

27、根据所述测得变化与所述误差变化确定所述有效变化量；

28、所述病害巡查预警结果包括根据所述有效变化量生成的病害风险预警，和/或根据所述位置不确定域生成的巡查复核预警。

29、本发明还提供一种基于隧道全断面点云与环向影像融合的病害巡查预警系统，包括：

30、数据获取模块，用于获取隧道在至少两个巡查期次下的全断面点云、环向影像及对应的采集位姿数据；

31、空间基准建立模块，用于根据所述全断面点云建立隧道空间基准，并根据所述采集位姿数据将所述环向影像映射至所述隧道空间基准；

32、局部校正模块，用于从所述全断面点云和所述环向影像中提取相互对应的结构基准特征，根据所述结构基准特征对所述环向影像与所述隧道空间基准之间的映射关系进行局部校正，并根据局部校正状态确定对应局部区域的位置不确定域；

33、病害对象生成模块，用于从所述环向影像中提取表观病害区域，从所述全断面点云中提取几何异常区域，将所述表观病害区域和所述几何异常区域转换至所述隧道空间基准，并根据所述位置不确定域关联所述表观病害区域和所述几何异常区域，以形成病害对象；

34、空间身份确定模块，用于根据所述病害对象与对应结构基准特征之间的相对位置关系，确定所述病害对象的空间身份信息；

35、跨期关联模块，用于根据不同巡查期次下病害对象的空间身份信息以及对应的位置不确定域，关联不同巡查期次中的同一病害对象；

36、有效变化量确定模块，用于根据所关联病害对象在不同巡查期次下的测得变化以及对应的位置不确定域，确定所述病害对象的有效变化量；

37、预警模块，用于根据所述有效变化量输出病害巡查预警结果。

38、在一种实施方式中，所述病害对象生成模块被配置为，根据所述位置不确定域确定表观病害区域与几何异常区域之间的允许位置偏差；

39、所述跨期关联模块被配置为，根据不同巡查期次下的位置不确定域确定病害对象之间的允许关联偏差；

40、所述有效变化量确定模块被配置为，从所述测得变化中排除能够由所述位置不确定域解释的误差变化。

41、与现有技术相比，本发明在利用结构基准特征对点云与环向影像进行局部校正后，没有直接将校正结果作为无误差的空间对应关系，而是进一步根据局部校正状态形成具有空间范围的位置不确定域。该位置不确定域继续参与表观病害与几何异常的跨模态关联，能够降低因局部配准偏差而将相邻但不相关的异常区域错误合并的可能性；

42、进一步，通过病害对象与结构基准特征之间的相对位置关系形成空间身份信息，使同一病害在不同巡查期次中不再仅依赖绝对里程或者单次测得坐标进行匹配。即使不同巡查期次之间存在一定位置漂移，只要病害对象相对于稳定结构基准特征的位置保持一致，仍能够维持其病害身份，从而降低同一病害被重复识别或者不同病害被错误合并的概率。