隧道点云处理系统V1.0使用说明
前言
隧道点云处理系统V1.0是针对盾构结构的地铁隧道变形监测分析的点云处理软件。采用三维激光扫描技术获取地铁隧道数据是离散的点云。借助本系统可以对获取的点云数据进行显示、获取隧道中轴线并依据中轴线连续截取隧道断面、根据断面点云分析隧道的变形情况。通过坐标转换，可以将两期点云数据进行对比分析，监测隧道的形变量。
一、软件安装与注册
1.软件开发环境与安装
软件使用C#语言基于.Net4.0开发，需要在WindowsXP版本以上的环境下安装使用。安装过程如图1，依次根据提示即可完成安装。
图1安装过程
2.软件注册登陆
第一次打开软件时显示注册窗口，需要填写自己的用户名和密码，以及正确的注册码。如图2。点击注册，并根据提示即可完成注册操作。登陆窗口如图3。填写注册时填写的用户名和密码，点击登陆即可进入系统界面。
图2注册界面
图3登陆界面
二、软件主要功能简介
1.隧道点云滤波处理
以RIEGL VZ-400扫描仪获得地铁隧道的原始点云数据为例，其中包含有隧道壁、接触网、道轨等信息。首先根据隧道形状特征，对点云进行滤波后提取出隧道壁，具体过程如下：
（1）首先拟合隧道中轴线，然后沿中轴线方向，连续提取隧道断面点。
（2）采用椭圆最小二乘拟合法，将提取出的隧道断面点拟合为椭圆。
（3）将断面点到拟合椭圆的距离作为阈值滤除非隧道壁点，得到隧道内壁点。阈值的选取原则是既要保证提取尽可能多的隧道内壁点，又要避免其中包含有与隧道内壁相连的附属物等噪声点。考虑到隧道内壁不是理想的光滑曲面，软件默认将阈值设置为3cm。
中轴线理论上应该位于断面的对称中心，但由于误差的存在，实际上他们之间会产生偏差d。如果d超过设定的阈值，则需要按照（1）、（2）步骤，重新拟合隧道的中轴线，直到d小于阈值为止。
图4滤波前后对比
2.隧道模型构建
根据断面点云数据，采用阿基米德螺线螺线对隧道断面进行差值加密，生成隧道断面模型，如图5(a)隧道整体模型如图5（b）
图5（a） （b）
3.变形分析
根据生成的隧道断面模型，可以测量任意角度隧道点的距离拟合中轴线的距离d，以及隧道壁两点的距离L.，如图6断面测量分析。
图6断面测量分析
4.坐标转化
为了对比不同期数据的变形情况，可以利用标靶点将点云换算到统一坐标系中。
5.截面匹配分析
在统一坐标系中，按照两期截面点云数据坐标邻近关系，匹配两期数据中相对应的截面。并对比分析变形情况。
三、具体实现步骤
第一步，数据预处理
1.打开数据
如图7在程序主界面，单击“打开数据”按钮，找到点云原始文件路径，打开。在模型构建模块中点击绘图则显示点云数据。可以旋转缩放观察原始点云数据。
图7数据预处理_打开数据
2.修改路径
点击修改路径，可以将程序处理过程中的文件放到自定义的文件夹里。
3.分割预处理
“分割预处理”功能实现，对一站原始数据截取据扫描仪器一定距离的长度的点云。距离参数设置在按钮上方。默认值为20米。
4. 抽吸
“抽吸”功能，是针对一站扫描数据因为扫描距离而是点云密度分布不均设置的。分为均匀抽吸和依照比例抽吸两种模式。
5.隧道边缘
“隧道边缘”功能，实现对隧道边缘点的搜索。并生成隧道边缘点和轴线点两个文件。
6.生成轴线
生成轴线功能，点击“生成轴线”按钮，打开生成的轴线点文件，生成轴线拟合文件。
第二步，模型构建
图8模型构建_按轴线截取断面
7.按轴线截取断面
点击“按轴线截取断面”按钮，打开生成的“*.ZXD”文件，执行按轴线截取断面过程。
8.椭圆拟合
点击“椭圆拟合”按钮，打开生成的椭圆点“*.TYD”文件，执行椭圆拟合过程。
图9打开椭圆拟合文件
9.隧道壁数据生成
点击“隧道壁数据生成”按钮，打开隧道断面点文件“.DMD”，执行隧道壁数据生成，得到隧道壁点文件（.SDMD）和隧道椭圆点文件(*.STYD)。
图10打开隧道断面点文件
10.生成径向模型
再次点击“椭圆拟合”按钮，选择如下图，打开生成的隧道椭圆点文件(.STYD)，然后点击“生成径向模型”按钮，打开生成的隧道壁点文件（.SDMD）如图所示。生成径向建模文件（.JXM）和径向方位文件（.JXF）。
图11（a）打开隧道椭圆点文件(.STYD) （b）打开隧道壁点文件（.SDMD）
11.径向分析
点击“径向分析”打开生成的径向建模文件（*.JXM），显示建模如下图。
图12（a）径向分析截面 （b）打开径向建模文件（*.JXM）
12.模型坐标转换
点击“模型坐标转换”按钮，默认选择四参数按钮。出现如图所示，打开转换参数文件（标靶坐标文件），然后打开待转换的模型文件（*.JXM）。经计算得到转换后的模型坐标文件。
图13（a）打开坐标转换文件 （b）打开待坐标转换数据文件
第三步，变形分析
13.断面模型对比测量
分别点击“断面模型”，“对比断面模型”按钮打开生成的（.JXF）文件。然后选择相应的断面，点击相应的“断面测量”，“对比断面测量”按钮。实现断面测量功能。
图14（a）对比断面测量 （b）断面测量结果显示
14.模型断面匹配测量
在读入待匹配的两个断面椭圆点模型的情况下（*.JXF），打开已经经过坐标统一的隧道模型。如图（a）
然后，点击轴线匹配按钮。建立对应的断面模型的关联。如图（b）点击相应的断面模型进行对比分析。
图15（a）隧道模型拼接显示 （b）断面匹配测量
四、结语
根据郑州地铁隧道数据测试，达到相对变形监测要求指标。进过8个月的编程设计，推出隧道点云处理系统V1.0。本软件主要解决了隧道点云处理中的隧道壁点云提取分析功能。结合隧道变形监测要求显示出隧道断面的变形情况和隧道整体的变形情况。为地铁隧道安全运营测量提供技术支持。软件开发中尚有不完善之处，欢迎提出建议，联系方式：[email protected]。
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