应用样条曲线拟合三维激光扫描盾构隧道点云切片.pdf

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1、第1期矿山测量NO．12014年2月MINESURVEYINGFeb．2014doi：10．3969／j．issn．1001—358X．2014．01．14应用样条曲线拟合三维激光扫描盾构隧道点云切片闻永俊，卜建阳(淮安交通勘察设计研究院有限公司，淮安223001)摘要：三维激光扫描技术采用散乱点云对隧道监测，难以对数据进行精确变形处理分析。通过圆曲线拟合隧道点云切片得到的隧道收敛半径，虽然模型简单但不能很好的描述隧道的局部特征，应用三次B样条曲线在特定局部邻域拟合点云切片较好的解决了圆曲线局部拟合不精确，样条

2、曲线整体拟合干扰大局部特征不明显这些缺点。通过实验表明，采用该方法进行环形隧道收敛变形分析，更能真实的反应隧道的真实变形情况，该方法对隧道变形监测具有一定的实用价值。关键词：三维激光扫描技术；三次B样条拟合；收敛半径；变形分析中图分类号：TB23文献标识码：B文章编号：1001—358X(2014)01—0042—03传统隧道监测在隧道壁上布设多个固定观测1．1圆曲线拟合点，以监测隧道收敛的变化情况，其缺点是测点圆曲线拟合采用经典最小二乘平差方法，点云的局部性和片面性，即以点代面分析的局限性和效与圆心的关系方程

3、：率较低、外业繁重等。采用三维激光扫描技术，在隧(i—o)+(Y一Y。)一尺=0(1)道内采集海量点云数据，形成一个三维离散点隧道设平差后的圆心坐标(，ro)和圆半径为则模型，根据隧道变形特征理论对模型的后处理，提取rc。一舐特征线和特征点进行计算分析，避免了传统监测得JY=Yo一8y(2)局限性。但三维激光扫描难以获取不同期的同名LR=R0一点，无法对单个同名点的位置判断变化趋势，因此传圆半径的观测值和改正值与近似值的关系为：统监测数据处理方式不适合全局的、细节丰富的点尺i+Vr：=R0+BR(3)云数据，需

4、要新的处理方式等。罗德安等建立了观测值的方程：三维激光影像扫描技术的整体变形监测模型，毕俊等阐述了三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形：一+R。一Ri(4)监测的作业流程，而由于三维激光扫描技术扫描法方程为：数据处理复杂，近些年在监测方面没有发挥出其优J．A舭+铆+E：¨(5)势特点。对于提取中轴线和隧道纵向沉降变形分lCBx+BBy+F=0析，用圆曲线对点云切片进行拟合，模型简单，能反其中映隧道的整变形体信。对于环向收敛分析，尤其是A=[aa]B=[bb]C=[CC]收敛变径不均匀的环片用圆曲线拟合显然不反映局

5、E=[口z]F=[6f]D=AB—c(6)部的变形差异也不能应用与进一步的应力分析。因此采用其它二次或多次曲线拟合很有必要，如多项[cti一卺6I_一卺f_．-R0式拟合、指数曲线拟合、多段三次多项式、三次B样圆曲线拟合及其参数设置如图1所示。条等。先前的文献当中对于点云的曲线拟合是先将1．2三次样条曲线拟合点云全局拟合曲面然后沿轴线方向正切曲面得到曲样条曲线方程可写为：线，再对曲线进行变形分析。而本文是先切取点云然后将点云投影同一平面上再拟合曲线，这样就避P(u)=∑^pⅣ(H)(7)免了不相关数据对拟合区域

6、的干扰。式中：P；(0，1，⋯，rt)是控制顶点。Ⅳ．．(“)(i=0，1，⋯，n)称为k次规范曰样条基函数，其中每一1圆曲线拟合及整体样条曲线拟合个称为规范曰样条，其中42第1期矿山测量2014年2月通过表1的分析可以得出以下结论：(1)样条曲线拟合后发现各四个方向上的收敛半径不相等。(2)纵向平均半径总要小于横向平均半径，且与圆曲线拟合半径偏差方向一致。符合“扁鸭蛋”形状。(3)2号环横纵向平均半径差值最大为12mm。管片拼装规范要求是不大于±5‰D，对于该隧道即27．5mm，说明该环片竖向的变形已比较严重

7、但尚未超过规范要求。图5样条曲线拟合局部表1样条曲线拟合半径表诊断方法研究[D]．2007，同济大学．3结论[4]徐进军，王海城，罗喻真，等．基于三维激光扫描的滑坡基于三维激光扫描仪对隧道的变形监测在目前变形监测与数据处理[J]．岩土力学，2010(7)：2188—2191．还处于研究阶段，在扫描获取大量数据之后，无法进[5]李秋，秦永智，李宏英．激光三维扫描技术在矿区地表行数据的处理分析，主要原因为散乱点云三维模型沉陷监测中的应用研究[J]．煤炭工程，2006(4)：97—的精度与基准问题，本文通过获取隧道横

8、截面在特99．定方向上局部邻域拟合三次B样条曲线，通过四个[6]罗德安，朱光，陆立，等．基于3维激光影像扫描技术的方向上的隧道管径收敛，建立隧道收敛与整体变形整体变形监测[J]．测绘通报，2005(7)．40—42．模型，得到隧道整体的变化趋势。[7]毕俊，冯琐，顾星哗，等．三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中的应用研究[J]．测绘科学，2008(s2)：参考文献：14—15．[1