基于三维激光扫描技术的隧道连续断面提取及变形分析

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1、分类号:TP3910710-2013224005专业硕士学位论文基于三维激光扫描技术的隧道连续断面提取及变形分析李双导师姓名职称王卫星教授专业学位类别申请学位类别工学硕士计算机技术及领域名称论文提交日期2015年5月20日论文答辩日期2015年6月7日学位授予单位长安大学Tunnelcontinuouscross-sectionextractionanddeformationanalysisusingterrestrialscanningAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiShuangSupervisor：Pr

2、of.WangweixingChang’anUniversity,Xi’an,China摘要随着我国经济的快速发展，隧道建设规模己位居世界前列。但是在建设或运营维护阶段使用传统的全站仪等测量工具不能准确监测隧道断面整体变形，观测需要较长的时间，劳动强度高。为了安全、有效、便捷地对隧道进行变形监测，以及解决隧道断面数据采集困难的问题，本文提出了一种基于三维激光扫描技术的隧道连续断面提取及变形监测方法，该方法分为以下四个步骤：扫描计划及数据采集、点云数据拼接、局部中轴线拟合、连续断面提取及变形监测。首先通过模拟隧道扫描制订隧道扫描计划，获取隧道点云数据，并对获取数据进行全局

3、拼接；然后利用三维不变矩的方法提取隧道局部中轴线；依据中轴线调整局部隧道姿态，使隧道中轴线与提取参考方向一致，沿参考方向提取断面，对提取的断面采用二阶矩的方法获取断面椭圆特征，连续断面的椭圆特征可用于分析隧道的收敛性；最后采用MDP最小距离投影算法分析隧道的断面及三维变形，确定收敛或扩张区域以及变形量。针对本文所提方法，根据扫描计划，使用莱卡C10三维激光扫描仪选取中分辨率，以8.14m的间距扫描某隧道，提取不同时期的隧道区段中轴线，然后沿中轴线方向连续提取隧道断面，通过实验本文断面提取的点精度在3mm以内，并通过连续椭圆特征得到了某区段的收敛性特征。然后基于MDP对提

4、取的断面进行断面变形分析，实验证明该方法能够判断出断面的收敛或扩张及得到其断面点的变形量，且高分辨率的点云断面的变形信息精度更高。最后基于MDP对三维隧道曲面进行变形分析，得到了隧道区段的收敛和扩张区域，及其曲面上点的变形量。实验结果表明，本文所提出的方法在数据采集和断面提取方面均能达到工程应用的精度要求，能够快速准确的提取出隧道的形变信息；同时，对比于传统的数据采集方式，三维激光扫描技术在数据量、数据采集速度和人力要求等方面都具有比较明显的优势。关键词：三维激光技术、不变矩、隧道断面提取、变形分析、最小距离投影iAbstractWiththedevelopmentof

5、China'seconomyrapidly,thetunnelconstructionscalehasledtheworld.Butinthetunnelconstructionoroperationalphase,usingconventionaltotalstationandothermeasuringtoolscannotaccuratelymonitoroveralldeformationoftunnelsection.Ontheonehandittakesalongtimeforobservation,Ontheotherhanditrequiresahigh

6、laborintensity.Inordertomonitortunneldeformationsafely,effectivelyandeasily,andsolvetheproblemaboutthetunnelcrosssectiondatawhichishardtocollect,thispaperpresentsamethodtoextractacontinuoussectionoftunnelbasedon3Dlaserscanningtechnologyandmonitoringdeformation,thismethodcanbedividedintot

7、hefollowingfoursteps:Thescanningplananddatacollection,thestitchingofthepointscloud,thelocalaxisfitting,thecontinuoussectionextractionandthemonitoringdeformation.Atfirst,formulateprogramofscanningtunnelbysimulatingtoscantunnel,gettunnelpointclouddataandcompletepointcloudda