专利名称：一种基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道施工质量评定的方法，尤其涉及一种基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法。
背景技术：
隧道钻爆施工质量关系到工程的安全与效益。对采用钻爆法施工的深埋长大隧道，其围岩为非均质各向异性不连续体，现有爆破设计参数大多依据经验公式和工程类比经验数据确定，随意调整爆破参数引发的问题较为突出，现场爆破施工质量不容乐观，特别是隧道超欠挖情况较常见，如不加以控制，将会给隧道工程建设造成巨大的损失。
传统的隧道钻爆施工质量评价指标体系单一，大多根据经验采用人为观测评定爆破的效果，精度低，观测范围有限，难以真实评定隧道钻爆施工质量，不能对钻爆设计施工提供参考，且对于爆破面的平整度、爆破轮廓线的规则性与光滑度、隧道超欠挖情况、爆破面炮孔利用率等具体爆破效果未进行分级与定量化处理。实践表明，仅根据经验对隧道钻爆施工质量进行评定是不够的，缺乏系统和科学的隧道钻爆施工质量评定的理论、程序和方法，不可避免的会导致不合理甚至错误的隧道钻爆施工质量评定的方法，从而造成不必要的浪费或灾害，所以有必要开展系统、全面的隧道钻爆施工质量评定方法、程序的研究，以科学、准确地评估钻爆施工质量对隧道围岩的应力场、渗流场、结构承载能力、承载状态的影响规律和影响程度，即正确的判断隧道钻爆施工质量，以便于采取及时有效的钻爆施工方法，避免钻爆施工质量事故的发生，减少隧道超欠挖，提高经济效益。相比传统的隧道钻爆施工质量评价方法，三维激光扫描方法具有快速、准确、精度高、测量范围广、适用性强等优点。现有的三维激光扫描方法主要涉及基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法、动态监测坡面尺度侵蚀发育过程、乔木三维绿量测定方法、树木测量、地质体结构面三维激光扫描点云识别方法等方面，而有关隧道钻爆施工质量评定的方法鲜有报道。中国专利CN102136155A基于三维激光扫描数据的物体里面矢量化方法和系统，方法步骤主要包括区域分割，边界提取，边界融合和边界修正，不具备对隧道施工质量进行评价的功能，不能用于隧道钻爆施工质量评价。中国专利CN102305622A —种基于三维激光扫描仪的乔木三维绿量测定方法，根据公共参考球把用三维激光扫描系统在三个不同方向扫描站的点云数据进行拟合，形成完整的单株乔木形状的点云并最终生成单株乔木树冠点云数据，并并其分割为若干区分段，按照等距计算不规则面的面积，得到单株乔木的三维绿化量。这种三维激光扫描方法只能用于森林工程，并不能用作隧道工程质量评定。中国专利CN101793543A利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法，包括的步骤有划定测量区域并贴反光材料，对各点云数据进行统一拼合，测量区域裁剪，导入地理信息系统软件分析。这种三维激光扫描技术也只能用于动态监测坡面尺度侵蚀发育过程，且没有对后处理软件进行二次开发，同时也不能用于隧道过程钻爆质量评定。中国专利CN102096944A地质体结构面三维激光扫描点云识别方法，分6个步骤实现对高陡边坡地质调查与快速地质编录，主要包括确定地质体结构面扫描范围，通过三个不在同一直线上的点坐标确定需要扫描的地质体结构面范围的一个面，通过三个点的三维坐标获得平面方程，扫描结构面出露面上的所有点，重新选择下一个地质体结构面，提取结构面产状参数并进行结构面拟合。这个方法同样不能用于隧道工程钻爆施工质量评定，仅能解决高陆边坡地质调查与快速地质编录。

发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，该方法具有快速、准确、精度高、测量范围广、适用性强的特点。本发明的技术方案如下 本发明提供了一种基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，该方法包括以下步骤首先采用隧道数据采集模块采集数据，然后采用隧道数据前处理模块对采集到的数据进行处理，根据处理结果构建隧道三维模型构建模块，采用隧道三维模型后处理模块进行后处理，最后采用隧道钻爆质量评价模块对结果进行评价。所述的隧道数据采集模块采集数据包括以下步骤(I)利用三维激光扫描仪和全站仪分别对隧道数据进行采集；(2)三维激光扫描仪获取隧道点云数据和隧道影像数据，全站仪获取隧道参考点云数据；(3)在隧道现场布置好三维激光扫描仪，完成隧道测站布设、后视点坐标扫描、测站坐标扫描、隧道场景粗扫描、隧道场景精扫描；(4)在上述基础上，获得隧道点云数据和隧道影像数据。所述的隧道数据前处理模块对采集到的数据进行处理包括以下步骤(I)把采集的隧道点云数据和隧道影像数据导入隧道数据前处理模块，对数据进行预处理；(2)基于软件Visual C++6. O和Matlab 7. O,对反射体标识进行识别；无反射体标识时，立即对特征进行采集；有反射体标识时，对反射体标识进行采集；(3)对采集到的数据进行序列拼接、整体匹配，达到数据融合，查看是否为最后一幅扫描数据图形，如为是，则隧道多视点云数据拼接完成，如为否，必须重新对隧道多视点云数据进行拼接匹配，重复步骤(2)和步骤
(3)直到达到符合要求为止。所述的预处理包括坐标转换、数据去除冗余、数据去除噪声或数据精简。所述的构建隧道三维模型构建模块包括以下步骤基于隧道多视点云数据拼接，对隧道几何体拟合构建隧道三维模型构建模块。所述的对隧道几何体拟合包括点拟合、曲线拟合、曲面拟合、圆柱拟合、圆锥拟合或矢量线拟合。所述的采用隧道三维模型后处理模块进行后处理包括以下步骤基于隧道三维模型构建模块对隧道三维模型进行后处理，然后测量隧道的几何尺寸。所述的基于隧道三维模型构建模块对隧道三维模型进行后处理包括纹理映射、拓扑分析、漏洞修补、阴影去除或模型简化。所述的测量隧道的几何尺寸包括距离量测、角度量测、面积量测或体积量测。所述的采用隧道钻爆质量评价模块对结果进行评价包括以下步骤计算各种评价因子，输出隧道三维模型，显示隧道三维模型，转换隧道三维模型格式。所述的计算各种评价因子包括计算爆破面平整度、计算爆破轮廓线光滑度、计算爆破面半孔率、计算爆破面炮孔利用率、计算爆破超欠挖矢量值、计算爆破超欠挖面积、计算爆破实测面积或计算爆破理论面积。所述的输出隧道三维模型包括输出隧道断面图或输出隧道监测数据。所述的显示隧道三维模型包括模型缩放、模型旋转或模型平移。所述的转换隧道三维模型格式包括DWG、IGES或STL。本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果I、本发明方法具有快速性应用三维激光扫描技术进行隧道钻爆施工数据采集与质量评定，速度非常快，可以及时测定隧道爆破施工的三维立体信息，反映钻爆施工的平整度，超欠挖情况。2、本发明方法具有高精度三维激光扫描技术通过对目标的直接扫描来描述目标的特征，不易受外界干扰，精度高。3、本发明方法具有高景深三维激光扫描射程远，采集数据方便，可以获得高景深，能纵深范围对隧道进行扫描，并对隧道钻爆施工过程围岩的应力场、渗流场进行动态监测。4、本发明方法具有不接触性应用三维激光扫描技术不需要接触隧道，就可获得隧道表面的三维信息，适用于测量人无法到达的隧道危险区域，弥补了高地应力岩爆隧道施工质量评价的缺陷，减少了现场作业人员的危险性。
5、本发明方法具有测量范围广，适用性强，自动化程度高，可靠性好的优点。


图I为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法的工作流程示意图。图2为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道数据采集模块下工作流程图。图3为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道数据前处理模块下工作流程图。图4为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道三维模型构建模块下工作流程图。图5为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道三维模型后处理模块下工作流程图。图6为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道钻爆质量评价模块下工作流程图。
具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。实施例如图I所示，图I为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法的工作流程示意图。一种基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，该方法包括以下步骤首先采用隧道数据采集模块采集数据，然后采用隧道数据前处理模块对采集到的数据进行处理，根据处理结果构建隧道三维模型构建模块，采用隧道三维模型后处理模块进行后处理，最后采用隧道钻爆质量评价模块对结果进行评价。各模块具体实现方法为I.隧道数据采集模块如图2所示，图2为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道数据采集模块下工作流程图。
隧道数据采集模块实现方法为(I)利用三维激光扫描仪和全站仪分别对隧道数据进行采集，三维激光扫描仪和全站仪在进行数据采集前必须进行误差校核，确保扫描精度和大范围扫描；(2)三维激光扫描仪获取隧道点云数据和隧道影像数据，全站仪获取隧道点云参考数据，为隧道多视点云数据拼接提供数据源；(3)在隧道现场布置好三维激光扫描仪，完成隧道测站布设、后视点坐标扫描、测站坐标扫描、隧道场景粗扫描、隧道场景精扫描；(4)在上述基础上，获得隧道点云数据和隧道影像数据。考虑钻爆隧道悬浮颗粒多，噪音较大、地面震动明显，各扫描站之间的距离不应过长，同时要保证相邻两个扫描站间的重叠度大于40%，以便获取较完整的钻爆隧道洞型数据。用于点云数据拼接用的控制标靶采用球形标靶，每一站之间设置不少于4个控制标靶，遵循近似三角形原理，以获得测量区域的整体坐标配准精度，同时要注意靶标距离扫描仪的位置不能太远，否则靶标中心的识别精度降低。2.隧道数据前处理模块如图3所示，图3为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道数据前处理模块下工作流程图。隧道数据前处理模块实现方法为(I)把采集的隧道点云数据和隧道影像数据导入隧道数据前处理模块，对数据进行预处理，包括坐标转换、数据去除冗余、数据去除噪声、数据精简；(2)基于Visual C++6. O和Matlab7. O,对反射体标识进行识别，无反射体标识时，立即对特征进行采集，有反射体标识时，对反射体标识进行采集；(3)对采集到的数据进行序列拼接、整体匹配，达到数据融合，查看是否为最后一幅扫描数据图形，如为是，则隧道多视点云数据拼接完成，如为否，必须重新对隧道多视点云数据进行拼接匹配，直到达到符合要求为止。坐标转换方法主要是利用泰勒级数展开的方法将模型线性化，然后解算坐标转换的三个旋转参数Xo、Yo、Ztl，三个平移参数εχ、ey> εζ，一个尺度参数δ u，实现三维激光扫描技术的坐标转换。数据去除冗余主要指经过配准的隧道多站扫描数据存在重叠，必须对其造成的扫描数据去除冗余。数据去除噪声主要针对数据采集时激光雷达旋转引起的抖动、运动物体干扰、扫描过程中的杂散光和背景光、接收信号的信噪比、激光束宽度、激光发散、激光波长、接收器反应、电子钟准确度、平台的定位定向准确度等产生的噪声进行去除，主要采用手工删除与系统自动判断的方法进行。基于Visual C++6. O和Matlab 7. O,对反射体标识进行识别，实现不同测站下的点云数据转换到同一个测站下，采用的主要方法是在Visual C++6. O中调用Matlab 7. O函数库，然后使用Matlab 7. O的各种矩阵运算，根据扫描需要选择的同名标靶所包含的已知坐标数据，解算坐标转换矩阵，最终实现隧道点云数据拼接。3.隧道三维模型构建模块如图4所示，图4为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道三维模型构建模块下工作流程图。
隧道三维模型构建模块实现方法为(1)基于隧道多视点云数据拼接，对隧道几何体拟合，主要包括点拟合、曲线拟合、曲面拟合、圆柱拟合、圆锥拟合和矢量线拟合；(2)基于上述工作，完成隧道三维模型构建。4.隧道三维模型后处理模块如图5所示，图5为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道三维模型后处理模块下工作流程图。隧道三维模型后处理模块实现方法为(I)基于隧道三维构建模型，对隧道三维模型进行后处理，主要包括纹理映射、拓扑分析、漏洞修补、阴影去除、模型简化；(2)隧道几何尺寸量测，包括距离量测、角度量测、面积量测、体积量测。5.隧道钻爆质量评价模块如图6所示，图6为本发明基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法在隧道钻爆质量评价模块下工作流程图。隧道钻爆质量评价模块实现方法为(1)各种评价因子的计算，主要包括爆破面平整度计算、爆破轮廓线光滑度计算、爆破面半孔率计算、爆破面炮孔利用率计算、爆破超欠挖矢量值计算、爆破超欠挖面积计算、爆破实测面积计算、爆破理论面积计算；(2)隧道三维模型输出，包括隧道断面图输出、隧道监测数据输出；(3)隧道三维模型显示，包括模型缩放、模型旋转、模型平移；(4)隧道三维模型格式转换，主要格式包括DWG、IGES、STL。隧道钻爆质量评价模块，主要是利用可视化编程语言DelPhi对隧道三维模型进行评估，在隧道钻爆施工前对其开挖面范围进行一次激光扫描，获取隧道洞型三维立体影像，在隧道钻爆开挖完成后，再进行一次扫描或对扫描困难区域进行补扫，将先后扫描获取的点云数据结果叠加一起进行对比分析，实现对隧道各断面扫描点相对于设计横断面超欠挖值的计算，隧道整个横截面实测面积与超欠挖面积的计算，以及爆破面平整度、爆破轮廓线光滑度、爆破面半孔率计算等。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于该方法包括以下步骤首先采用隧道数据采集模块采集数据，然后采用隧道数据前处理模块对采集到的数据进行处理，根据处理结果构建隧道三维模型构建模块，采用隧道三维模型后处理模块进行后处理，最后采用隧道钻爆质量评价模块对结果进行评价。
2.根据权利要求I所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的隧道数据采集模块采集数据包括以下步骤(1)利用三维激光扫描仪和全站仪分别对隧道数据进行采集；(2)三维激光扫描仪获取隧道点云数据和隧道影像数据，全站仪获取隧道参考点云数据；(3)在隧道现场布置好三维激光扫描仪，完成隧道测站布设、后视点坐标扫描、测站坐标扫描、隧道场景粗扫描、隧道场景精扫描；(4)在上述基础上，获得隧道点云数据和隧道影像数据。
3.根据权利要求I所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的隧道数据前处理模块对采集到的数据进行处理包括以下步骤(I)把采集的隧道点云数据和隧道影像数据导入隧道数据前处理模块，对数据进行预处理；(2)基于软件Visual C++6. O和Matlab7. O，对反射体标识进行识别；无反射体标识时，立即对特征进行采集；有反射体标识时，对反射体标识进行采集；(3)对采集到的数据进行序列拼接、整体匹配，达到数据融合，查看是否为最后一幅扫描数据图形，如为是，则隧道多视点云数据拼接完成，如为否，必须重新对隧道多视点云数据进行拼接匹配，重复步骤(2)和步骤(3)直到达到符合要求为止。
4.根据权利要求3所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的预处理包括坐标转换、数据去除冗余、数据去除噪声或数据精简。
5.根据权利要求I所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的构建隧道三维模型构建模块包括以下步骤基于隧道多视点云数据拼接，对隧道几何体拟合构建隧道三维模型构建模块。
6.根据权利要求I所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的对隧道几何体拟合包括点拟合、曲线拟合、曲面拟合、圆柱拟合、圆锥拟合或矢量线拟合。
7.根据权利要求I所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的采用隧道三维模型后处理模块进行后处理包括以下步骤基于隧道三维模型构建模块对隧道三维模型进行后处理，然后测量隧道的几何尺寸。
8.根据权利要求7所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的基于隧道三维模型构建模块对隧道三维模型进行后处理包括纹理映射、拓扑分析、漏洞修补、阴影去除或模型简化； 所述的测量隧道的几何尺寸包括距离量测、角度量测、面积量测或体积量测。
9.根据权利要求I所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的采用隧道钻爆质量评价模块对结果进行评价包括以下步骤计算各种评价因子，输出隧道三维模型，显示隧道三维模型，转换隧道三维模型格式。
10.根据权利要求9所述的基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，其特征在于所述的计算各种评价因子包括计算爆破面平整度、计算爆破轮廓线光滑度、计算爆破面半孔率、计算爆破面炮孔利用率、计算爆破超欠挖矢量值、计算爆破超欠挖面积、计算爆破实测面积或计算爆破理论面积； 所述的输出隧道三维模型包括输出隧道断面图或输出隧道监测数据； 所述的显示隧道三维模型包括模型缩放、模型旋转或模型平移； 所述的转换隧道三维模型格式包括 DWG、IGES或STL。
全文摘要
本发明涉及一种隧道施工质量评定的方法，公开了一种基于三维激光扫描评定隧道钻爆施工质量的方法，该方法包括以下步骤首先采用隧道数据采集模块采集数据，然后采用隧道数据前处理模块对采集到的数据进行处理，根据处理结果构建隧道三维模型构建模块，采用隧道三维模型后处理模块进行后处理，最后采用隧道钻爆质量评价模块对结果进行评价。本发明方法具有测量范围广，适用性强，自动化程度高，可靠性好的优点。
文档编号G01D21/02GK102798412SQ20121027039
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者王建秀, 邹宝平, 黄天荣, 司鹏飞 申请人:同济大学