密度聚类与PCA的点云数据处理技术在高铁轨道检测中的应用

为解决轨道手工检测效率低、准确度不高的问题,克服二维线激光与轨向不垂直而影响检测精度的不足,利用三维结构光点云技术对高铁轨道表面状态进行检测。数据处理是三维结构光检测的重要环节,综合运用密度聚类与PCA算法对点云进行快速处理。首先采用三维栅格算法对点云进行采样,减少点云数据量;其次利用密度聚类将点云分成不同的簇类以去除噪声点和离群点,提取出目标点云;最后通过PCA算法计算点云的3个主成分向量,求解变换矩阵变换点云,实现点云初始配准。精确配准后,与标准模型点云对比,即可得出检测结果。现场试验结果表明,该方法运行速度快,配准精度较高,有效提高了检测的效率和精度。     

基于三维激光扫描的铁路隧道净空断面测量

在铁路隧道的相向施工方案中,受隧道控制网精度、测量仪器、测量方法及自然环境因素的影响,不可避免地会产生贯通误差,为解决贯通误差对隧道限界的影响问题,结合工程案例,研究利用三维激光扫描技术进行隧道净空断面几何形态测量,并通过隧道中线调整来实现消除贯通误差的方法,并从如何高效准确获得整个隧道的点云数据,以及如何快速提取净空...     

三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的应用

地铁隧道土建施工完成后为了对线路进行调线调坡,需要对地铁隧道进行断面测量,三维激光扫描技术与常规测量方法相比具有非接触式测量、可高密度采集空间三维点云数据等特点,为地铁断面测量提供了新的技术手段。介绍三维激光扫描技术的基本原理和在地铁隧道断面测量中的方法,并结合南宁地铁1号线隧道断面测量工程实例,对三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中应用的可行性进行探讨。断面测量成果不仅为线路进行调线调坡提供依据,而且还可以为后续的隧道模型构建、隧道变形分析以及铺轨和设备安装等工作提供相关应用和支持。     

隧道三维激光扫描点云断面收敛参数相关性研究

基于移动三维激光扫描隧道点云数据,通过点云预处理、断面提取过滤,最后进行隧道管环实测轴径提取、椭圆拟合得到断面的水平轴径值、椭圆度等数值成果表及椭圆拟合等成果图。从几何形态学的角度,对横径与设计偏差、椭圆周长、椭圆均轴差等椭圆拟合结果参数与椭圆度之间数学关系及相关性进行统计分析与研究,探究隧道管环实测点云经过椭圆拟合出的长短轴长异常值的自动筛选方法。结果表明:椭圆度与横径值具有较强的线性相关性;椭圆均轴差D(椭圆长轴加短轴与两倍理论圆直径之差)与椭圆周长和理论圆周长之差d约束关系式,可以用作管环变形椭圆拟合长短轴长异常值的筛选依据。     

基于布模拟滤波和支持向量机的隧道三维点云提取算法

针对传统隧道点云提取方法存在先验条件要求较高、参数依赖性较强、通用性较差的问题，提出基于布模拟滤波和支持向量机的隧道三维点云提取算法。介绍隧道三维点云提取算法流程，分析点云数据获取与下采样算法、基于布模拟滤波算法的地面滤波，以及基于支持向量机的隧道点云提取算法，并开展现场验证试验。试验结果表明，基于布模拟滤波和支持向量机的隧道三维点云提取算法，可准确剔除与隧道点云特征不一致的非隧道点云，隧道点云提取具有处理速度快、准确率高、通用性强的特点。但如果隧道中出现大量距离隧道非常接近的物体，且体积较小，该算法会出现较多误判。减少误判是该隧道三维点云提取算法今后的研究方向。     

基于ArcGIS-Addin的激光点云断面数据提取应用研究

为了解决在已有激光点云基础上自动提取纵、横断面数据的问题,研发了基于ArcGISAddin的激光点云断面数据处理软件,该软件可根据设计线路和桩号,利用ArcObject中IPolyline接口提供的QueryPoint()方法计算出各中桩点,利用QueryNormal()方法计算出各桩号位置的道路法线。将中桩点和法线在不规则三角网中进行高程插值,可得到三维中桩点和三维横断面。在此基础上进行精度统计和格式转换等工作,实现了任意桩号、任意方向的断面数据自动提取及多种道路设计软件断面数据的导出。利用该方法在已分类激光点云基础上进行断面数据采集,一台可运行ArcGIS软件的普通PC机,断面处理速度可达100 km/h。     

基于激光雷达的地铁隧道形变检测方法

针对地铁隧道出现的形变问题,提出利用车载激光雷达对地铁隧道进行扫描检测的方法。该方法测得的点云数据需进行坐标转换,在点云数据预处理时通过统计滤波与双边滤波相结合的算法去噪,采用最小二乘法进行断面拟合得到光滑拟合曲线。对不同时期检测的同一位置断面进行局部形变分析,对某一区间段不同位置断面进行区间收敛分析,实现地铁隧道断面的形变分析。通过该方法的处理,可以更加有效地获取地铁隧道的形变信息,对实现地铁隧道形变动态检测具有借鉴意义。     

铁路地形图建筑物的自动化提取方法研究

针对目前基于机载激光雷达技术测绘建筑物自动化程度不足这一问题,研究通过机载激光雷达点云数据自动提取建筑物。首先对原始激光点云进行地面点滤除、点云分割和点云分类,形成单体化的建筑物点云数据。然后对单体化建筑物点云数据通过边界点云提取、边界点云精化和边界点云简化三步形成建筑物矢量图形,从而满足地形图制图要求。通过实验工程验证,该方法可实现91%的建筑物和高架桥的正确提取,提取精度满足铁路大比例尺规范要求,具有人工干预少、自动化程度高、数学精度稳定可靠等优势。该方法的普及,将有助于提高铁路工程地形图的生产效率、降低劳动强度。     

基于三维激光扫描技术的地铁盾构隧道中轴线高程提取方法

针对目前三维激光扫描技术检测盾构隧道横断面方法效率低、不能充分利用高密度点云数据的问题，从精度、效率及充分利用高密度横断面点云数据三方面进行隧道中轴线高程分析。提出利用空间几何关系快速提取隧道原始点云数据横断面的方法，继而利用K近邻计算方法提取隧道中轴线高程。试验结果表明，该隧道中轴线高程提取方法与水准仪实测获得的隧道中轴线高程间最大差值为3 mm。与水准仪实测方法相比，该隧道中轴线高程提取方法的检测精度与检测效率均有较大改善，且其不需要进行横断面点云数据的抽稀，充分利用了海量原始点云数据，可推广应用至盾构隧道竣工验收工作。     

三维激光扫描技术在隧道形变监测中的应用

对三维激光扫描技术在隧道形变监测中的应用进行了初步研究。实验使用Leica Scan Station P40三维激光扫描仪对常州地铁1号线隧道进行扫描,将处理后的点云数据通过徕卡隧道形变监测系统进行隧道断面净空计算。将利用三维激光扫描技术得到的隧道断面成果与利用传统全站仪测量得到的隧道断面成果进行对比,讨论并分析三维激光扫描技术在隧道形变监测中的技术优势和存在的问题,对三维激光扫描技术在隧道形变监测中的应用具有指导意义。     

基于机载LiDAR的铁路工务设备及周边环境形变分析

提出一种基于机载LiDAR(Light Detection And Ranging)点云的铁路工务设备及周边环境形变分析方法,通过无人机机载LiDAR巡线系统获取铁路场景三维点云,对点云进行裁剪、去噪及配准;结合点云-点云比较方法与多尺度点云模型比较方法分别对工务设备及周边环境的形变进行定性与定量判断,并应用于邯长线（邯郸—长治）K130+874—K135+292区段。结果表明：该方法能够有效利用机载LiDAR铁路巡检数据,通过定性与定量的形变分析及时发现隐患。     

基于三维激光扫描点云整体分析的铁路隧道超欠挖检测方法

传统隧道施工难以避免超欠挖现象的发生，影响隧道的工程质量以及施工效率。三维激光扫描技术因其便捷、信息量大等特点，在隧道施工过程中提供快速有效的测量结果，但目前主要通过取断面形式进行超欠挖分析，亟需一种对点云整体分析的方法。为此，针对三维激光扫描的隧道超欠挖检测，提出一种基于点云拟合曲面并结合设计面法线的分析方法。结果表明：三次B样条曲线在曲线要素的表现和控制性能上较好，适用于隧道断面的重构；检测断面上建立法线，并在拟合面上找到其所唯一对应的实际检测点，通过两点的距离作为超欠挖的基准；编制的分析软件可对隧道数据进行批量处理，便于隧道工程超欠挖检测的实时分析评。因此，双三次B样条拟合法的超欠挖的扫描和计算，其精度、效率高，可满足实际工程中隧道超欠挖的检测。     

基于三维激光扫描技术确定隧道变形的新方法

从三维激光扫描技术应用于地铁隧道变形监测实际出发,研究三维激光扫描技术在隧道变形监测中的应用,给出一种适用于隧道数据采集的多站共用靶标连续拼接法。针对如何确定隧道变形的关键问题,提出一种通过建立参考系、点云格网化、剖面图提取、变形量值计算等流程确定隧道变形的新方法。将该技术应用于地铁隧道扫描实验,结果发现提出的方法能够在任意位置提取隧道断面,能够确定隧道变形量值,是一种有效的确定隧道变形的新方法。     

基于点云数据的轨道结构与隧道空间限界一体化自动检测方法研究

为了保证列车运营安全,需要在日常运营过程中进行隧道限界检测,但现有检测方法存在测量干扰大、效率低、断面非连续性、与轨道结构相互独立等不足。为此,提出一种基于点云数据的轨道结构与隧道空间限界一体化自动检测方法。在通过中轴线拟合提取隧道任意位置断面的基础上,建立基于钢轨顶面的隧道限界检测坐标系,引入不同类型的隧道限界框,采用改进射线算法实现多种隧道类型的限界自动检测分析。对既有铁路隧道进行现场实验表明,采用该方法可实现侵限位置和侵限尺寸值的准确获取,并给出侵限断面图,满足隧道检测精度要求,在隧道日常运营维护中能够发挥重要作用。     

基于三维激光扫描技术的隧道围岩参数反演分析

将三维激光扫描技术应用于温州绕城高速公路南山隧道施工期的变形量测中。首先相隔4个工日进行2次扫描得到2期隧道点云数据,通过对点云数据分析和处理得到隧道初期支护段空间变形场,从中提取断面的拱顶沉降作为隧道围岩参数反演分析的实测值。然后建立隧道三维有限元模型对围岩弹性模量、黏聚力和内摩擦角进行反演分析。结果表明:三维激光扫描监测可以快速获取隧道空间变形场,为隧道围岩参数反演分析提供足够的有效数据,弥补了传统监测方法的不足;当围岩弹性模量为1 GPa,黏聚力为200 k Pa,内摩擦角为28°时拱顶沉降模拟计算值与实测值吻合度最高。反演所得围岩参数均低于隧道设计阶段根据地质勘查报告的估算值,可用于隧道支护参数动态设计,降低工程成本。     

基于3D移动测量系统点云数据的钢轨信息自动提取方法

为实现铁路基础设施智能化管理运维,利用3D移动测量系统高效获取高精度点云数据,并对点云数据进行智能化处理。钢轨作为铁路基础设施中最基本的单元,是几何参数计算的基础,对其信息进行自动提取具有重要意义。因此,提出了一种基于3D移动测量系统点云数据的钢轨信息自动提取方法。首先利用点云数据中的角度信息快速实现道床区域的分割,有效减小计算量;然后利用精细栅格划分和动态阈值实现地面点与非地面点的分离;最后利用DBSCAN聚类算法与RANSAC算法完成钢轨点云数据的最终提取。为验证该算法的有效性,以国铁场景钢轨点云数据和隧道场景钢轨点云数据为试验对象,验证结果显示国铁场景和隧道场景的钢轨点云提取准确度分别为96.32%和97.54%,完整度分别为92.14%和94.87%,准确度和完整度均高于90%。试验结果表明:该方法具有操作简单,提取结果准确的优点。     

地面激光扫描仪在溶洞体积测量中的应用研究

提出一种基于三维激光扫描技术的溶洞体积快速测量方法,可以分站获得溶洞内部表面的海量激光点云数据,在分站扫描的同时获得拼接靶标的激光点云。利用拼接靶标将分站扫描的激光点云进行拼接,从而获得整个溶洞内部的激光点云。通过构建三角面片的方法构建溶洞的三维模型,据此计算溶洞的体积及剖面线等,可实现溶洞体积的精确测量。     

光电测量方法在盾构隧道收敛监测中的可行性研究

针对盾构隧道收敛监测常见的3种光电测量方法开展可行性研究,并进行对比分析。三维激光扫描技术采用静态架站式数据采集,针对获取的圆形盾构隧道点云数据利用激光雷达隧道测量检测软件进行隧道轴线输入、迭代式断面中心拟合与噪点过滤、断面提取、椭圆拟合、生成断面测点图和椭圆拟合曲线图等处理来获取隧道收敛值;TS60全站仪利用免棱镜测距功能获取收敛值,徕卡D2手持测距仪利用直接测量获取收敛值;通过对3种光电测量方法获取的盾构隧道管环横径值进行数据分析。研究表明：3种测量方法均可以满足地铁隧道收敛变形监测指标要求;针对测量误差在±3 mm内,三维激光扫描和测距仪直接测量的横径值差异较小,且分布区间较为集中;三维激光扫描与全站仪免棱镜测量的横径值差异较为分散;全站仪免棱镜与测距仪测量的横径值差异较小,分布区间较为集中。综合可知,针对隧道横径值测量,三维激光扫描和测距仪测量的效率与效果优于全站仪免棱镜测量;三维激光扫描和手持测距仪两种隧道横径测量方法在技术与精度上是完全可行并且可靠的。     

不同断面形式双洞隧道开挖顺序对地表沉降的影响

地铁暗挖区间通常采用双洞双线相同断面的隧道结构形式,而当某条线路局部存在渡线、停车线等情况时,该段区间需采取大断面的结构形式,即左右线隧道采用2种不同断面,施工方法也不尽相同。若大断面隧道采用双侧壁导坑法施工,小断面隧道采取CRD法施工,不同的开挖顺序对地表沉降的影响不同。结合北京地铁14号线东管头站—丽泽商务区站工程实例,利用有限元计算软件对施工过程模拟计算,将地表沉降计算结果与现场施工监测数据对比分析;验证模拟计算结果与实际工程影响的符合程度;得到双洞隧道不同开挖顺序对地表沉降的影响趋势,提出调整开挖顺序的合理化建议。该分析对实际工程中施工顺序的选择具有一定指导意义。     

应用三维激光扫描技术判定围岩稳定性试验研究

为验证采用隧道断面面积变形率判定围岩稳定性方法的工程可行性,依托某在建隧道工程进行三维激光扫描和常规监控量测的现场测试,获取监测断面的面积变形和特征点收敛数据,并对数据进行分析。研究结果表明:三维激光扫描的隧道断面变化率趋势能较好地反映隧道围岩稳定性状态;对比两种方法所得到的监测断面特征点部位的收敛曲线,可知其趋势一致、数量级接近。研究结果验证了三维激光扫描用于隧道监控量测及围岩稳定性判识的可行性,并且三维激光扫描所得到的隧道断面变化趋势信息更为丰富。