隧道點雲處理系統V1.0使用說明

隧道點雲處理系統V1.0使用說明
前言
隧道點雲處理系統V1.0是針對盾構結構的地鐵隧道變形監測分析的點雲處理軟體。採用三維鐳射掃描技術獲取地鐵隧道資料是離散的點雲。藉助本系統可以對獲取的點雲資料進行顯示、獲取隧道中軸線並依據中軸線連續擷取隧道斷面、根據斷面點雲分析隧道的變形情況。通過座標轉換，可以將兩期點雲資料進行對比分析，監測隧道的形變數。
一、軟體安裝與註冊
1.軟體開發環境與安裝
軟體使用C#語言基於.Net4.0開發，需要在WindowsXP版本以上的環境下安裝使用。安裝過程如圖1，依次根據提示即可完成安裝。

圖1安裝過程
2.軟體註冊登陸
第一次開啟軟體時顯示註冊視窗，需要填寫自己的使用者名稱和密碼，以及正確的註冊碼。如圖2。點選註冊，並根據提示即可完成註冊操作。登陸視窗如圖3。填寫註冊時填寫的使用者名稱和密碼，點選登陸即可進入系統介面。

圖2註冊介面

圖3登陸介面

二、軟體主要功能簡介
1.隧道點雲濾波處理
以RIEGL VZ-400掃描器獲得地鐵隧道的原始點雲資料為例，其中包含有隧道壁、接觸網、道軌等資訊。首先根據隧道形狀特徵，對點雲進行濾波後提取出隧道壁，具體過程如下：
（1）首先擬合隧道中軸線，然後沿中軸線方向，連續提取隧道斷面點。
（2）採用橢圓最小二乘擬合法，將提取出的隧道斷面點擬合為橢圓。
（3）將斷面點到擬合橢圓的距離作為閾值濾除非隧道壁點，得到隧道內壁點。閾值的選取原則是既要保證提取儘可能多的隧道內壁點，又要避免其中包含有與隧道內壁相連的附屬物等噪聲點。考慮到隧道內壁不是理想的光滑曲面，軟體預設將閾值設定為3cm。
中軸線理論上應該位於斷面的對稱中心，但由於誤差的存在，實際上他們之間會產生偏差d。如果d超過設定的閾值，則需要按照（1）、（2）步驟，重新擬合隧道的中軸線，直到d小於閾值為止。

圖4濾波前後對比

2.隧道模型構建
根據斷面點雲資料，採用阿基米德螺線螺線對隧道斷面進行差值加密，生成隧道斷面模型，如圖5(a)隧道整體模型如圖5（b）

圖5（a） （b）
3.變形分析
根據生成的隧道斷面模型，可以測量任意角度隧道點的距離擬閤中軸線的距離d，以及隧道壁兩點的距離L.，如圖6斷面測量分析。

圖6斷面測量分析
4.座標轉化
為了對比不同期資料的變形情況，可以利用標靶點將點雲換算到統一座標系中。
5.截面匹配分析
在統一座標系中，按照兩期截面點雲資料座標鄰近關係，匹配兩期資料中相對應的截面。並對比分析變形情況。

三、具體實現步驟
第一步，資料預處理
1.開啟資料
如圖7在程式主介面，單擊“開啟資料”按鈕，找到點雲原始檔案路徑，開啟。在模型構建模組中點選繪圖則顯示點雲資料。可以旋轉縮放觀察原始點雲資料。

圖7資料預處理_開啟資料
2.修改路徑
點選修改路徑，可以將程式處理過程中的檔案放到自定義的資料夾裡。
3.分割預處理
“分割預處理”功能實現，對一站原始資料擷取據掃描器器一定距離的長度的點雲。距離引數設定在按鈕上方。預設值為20米。
4. 抽吸
“抽吸”功能，是針對一站掃描資料因為掃描距離而是點雲密度分佈不均設定的。分為均勻抽吸和依照比例抽吸兩種模式。
5.隧道邊緣
“隧道邊緣”功能，實現對隧道邊緣點的搜尋。並生成隧道邊緣點和軸線點兩個檔案。
6.生成軸線
生成軸線功能，點選“生成軸線”按鈕，開啟生成的軸線點檔案，生成軸線擬合檔案。

第二步，模型構建

圖8模型構建_按軸線擷取斷面

7.按軸線擷取斷面
點選“按軸線擷取斷面”按鈕，開啟生成的“*.ZXD”檔案，執行按軸線擷取斷面過程。
8.橢圓擬合
點選“橢圓擬合”按鈕，開啟生成的橢圓點“*.TYD”檔案，執行橢圓擬合過程。

圖9開啟橢圓擬合檔案
9.隧道壁資料生成
點選“隧道壁資料生成”按鈕，開啟隧道斷面點檔案“.DMD”，執行隧道壁資料生成，得到隧道壁點檔案（.SDMD）和隧道橢圓點檔案(*.STYD)。

圖10開啟隧道斷面點檔案

10.生成徑向模型
再次點選“橢圓擬合”按鈕，選擇如下圖，開啟生成的隧道橢圓點檔案(.STYD)，然後點選“生成徑向模型”按鈕，開啟生成的隧道壁點檔案（.SDMD）如圖所示。生成徑向建模檔案（.JXM）和徑向方位檔案（.JXF）。

圖11（a）開啟隧道橢圓點檔案(.STYD) （b）開啟隧道壁點檔案（.SDMD）

11.徑向分析
點選“徑向分析”開啟生成的徑向建模檔案（*.JXM），顯示建模如下圖。

圖12（a）徑向分析截面 （b）開啟徑向建模檔案（*.JXM）

12.模型座標轉換
點選“模型座標轉換”按鈕，預設選擇四引數按鈕。出現如圖所示，開啟轉換引數檔案（標靶座標檔案），然後開啟待轉換的模型檔案（*.JXM）。經計算得到轉換後的模型座標檔案。

圖13（a）開啟座標轉換檔案 （b）開啟待座標轉換資料檔案

第三步，變形分析
13.斷面模型對比測量
分別點選“斷面模型”，“對比斷面模型”按鈕開啟生成的（.JXF）檔案。然後選擇相應的斷面，點選相應的“斷面測量”，“對比斷面測量”按鈕。實現斷面測量功能。

圖14（a）對比斷面測量 （b）斷面測量結果顯示

14.模型斷面匹配測量
在讀入待匹配的兩個斷面橢圓點模型的情況下（*.JXF），開啟已經經過座標統一的隧道模型。如圖（a）
然後，點選軸線匹配按鈕。建立對應的斷面模型的關聯。如圖（b）點選相應的斷面模型進行對比分析。

圖15（a）隧道模型拼接顯示 （b）斷面匹配測量

四、結語
根據鄭州地鐵隧道資料測試，達到相對變形監測要求指標。進過8個月的程式設計設計，推出隧道點雲處理系統V1.0。本軟體主要解決了隧道點雲處理中的隧道壁點雲提取分析功能。結合隧道變形監測要求顯示出隧道斷面的變形情況和隧道整體的變形情況。為地鐵隧道安全運營測量提供技術支援。軟體開發中尚有不完善之處，歡迎提出建議，聯絡方式：sunsenzhen@126.com。

中鐵隧道勘測設計院有限公司技術開放專案