本發(fā)明屬于隧道檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)的盾構(gòu)法隧道表觀質(zhì)量檢測(cè)方法及系統(tǒng)，主要面向于盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)體的檢測(cè)診斷。

背景技術(shù)：

在盾構(gòu)法隧道的施工過(guò)程中，由于管片拼裝質(zhì)量往往難以完全控制，錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)縫、管片破損以及橢圓度超出規(guī)定值等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，以及隧道運(yùn)營(yíng)期的裂縫、滲漏和掉塊等問(wèn)題，這些隧道表觀質(zhì)量問(wèn)題都嚴(yán)重威脅到隧道結(jié)構(gòu)體的安全。傳統(tǒng)的管片拼裝質(zhì)量的控制是由工程檢測(cè)人員定期在隧道內(nèi)部逐一進(jìn)行檢查，在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)較大的管片時(shí)，使用尺量法判定錯(cuò)臺(tái)是否超標(biāo)；對(duì)于橢圓度的檢測(cè)，采用皮卷尺配合吊鉛垂的方法共同確定隧道的長(zhǎng)軸及短軸，然后計(jì)算隧道的橢圓度。在運(yùn)營(yíng)期，隧道因其總里程較長(zhǎng)，病害出現(xiàn)點(diǎn)分散，采用人工檢測(cè)已經(jīng)不能滿足隧道日常養(yǎng)護(hù)維修的需求。

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法受檢測(cè)主體、檢測(cè)頻率、檢測(cè)效率的影響性較大，并且不能實(shí)現(xiàn)管片表觀質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)。如何盡可能早地檢驗(yàn)出盾構(gòu)法隧道質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的狀況，及時(shí)采取補(bǔ)救措施避免造成更大事故成為了隧道盾構(gòu)施工的一個(gè)難點(diǎn)。因此，需要尋求新的檢測(cè)診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)管片表觀質(zhì)量的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)全面的檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有隧道結(jié)構(gòu)體狀態(tài)檢測(cè)診斷方法的不足，提供一種基于激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)的盾構(gòu)法隧道表觀質(zhì)量檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)體的快速精準(zhǔn)檢測(cè)和智能診斷。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種盾構(gòu)法隧道表觀質(zhì)量檢測(cè)方法，包括如下步驟：

(1)通過(guò)激光掃描隧道管片實(shí)體實(shí)時(shí)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

(2)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成隧道實(shí)體點(diǎn)云模型；

(3)隧道實(shí)體點(diǎn)云模型的隧道中心與隧道設(shè)計(jì)BIM模型中心比對(duì)得到隧道中心線偏差值；

(4)根據(jù)隧道實(shí)體點(diǎn)云模型計(jì)算獲取錯(cuò)臺(tái)值；

(5)根據(jù)隧道實(shí)體點(diǎn)云模型計(jì)算獲取橢圓度；

(6)對(duì)隧道實(shí)體點(diǎn)云模型進(jìn)行病害分析，包括病害區(qū)域識(shí)別，病害類(lèi)別判斷，以及病害數(shù)值計(jì)算；

(7)根據(jù)預(yù)設(shè)的表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行判斷，評(píng)價(jià)隧道表觀質(zhì)量狀況。

進(jìn)一步地，步驟(2)包括如下步驟：

(2.1)通過(guò)坐標(biāo)變換，將所有點(diǎn)云的坐標(biāo)變換到計(jì)算采用的坐標(biāo)系中；

(2.2)通過(guò)設(shè)置z坐標(biāo)的取值范圍來(lái)剔除非關(guān)鍵點(diǎn)；

(2.3)采用向量求和算法判斷點(diǎn)云中的點(diǎn)是否為邊線上的點(diǎn)，提取點(diǎn)云邊線；

(2.4)采用最小二乘法擬合隧道中心，計(jì)算出中心點(diǎn)M的坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，步驟(2.1)中，坐標(biāo)系按照如下方式設(shè)定：

隧道中心軸線方向向量采用最小二乘法計(jì)算，對(duì)于一個(gè)環(huán)管點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行鄰域求法向量，求得一個(gè)向量與所有法向量乘積最小，即為軸向；規(guī)定該方向?yàn)閦軸，xy平面垂直于z軸，完成坐標(biāo)系的建立。

進(jìn)一步地，步驟(2.2)中，第N環(huán)沿z軸正方向可以剔除的非關(guān)鍵點(diǎn)z坐標(biāo)取值范圍為：

aμ+(N-1)(l+2)+b≤z_ni≤Nl+2(N-1)-aμ+b

其中，N＝1，2...，μ為同一點(diǎn)云中相鄰兩點(diǎn)的距離，l為一個(gè)管片環(huán)的長(zhǎng)度，a是一個(gè)常量，b是所有點(diǎn)z軸坐標(biāo)的最小值。

進(jìn)一步地，步驟(2.3)中，假設(shè)在一個(gè)激光掃描獲取的點(diǎn)云中，存在任意一點(diǎn)P_i和8個(gè)相鄰點(diǎn)組成了8個(gè)向量

這8個(gè)向量的和V(P_i)可以按如下方法計(jì)算：

理想化的點(diǎn)云邊界上的點(diǎn)，以P_ie表示，

V(P_ie)＝5μ

其中，μ是兩點(diǎn)間的最小距離；

點(diǎn)云中間的點(diǎn)用P_ii表示，

V(P_ii)＝0

如果V(P_i)＞2.5μ，則P_i是P_ie，即P_i是點(diǎn)云邊界上的點(diǎn)，反之則P_i是P_ii，即P_i是點(diǎn)云中間的點(diǎn)。

進(jìn)一步地，步驟(2.4)中，設(shè)中心M的坐標(biāo)為(a，b，c)，邊緣上一點(diǎn)P_i的坐標(biāo)為(x，y，z)，M和P_i的z軸坐標(biāo)值相等，即c＝z，由此我們得到了：

f_(x，y)＝g_(x，y)+ε_(x，y)

上式中，y＝g_(x，y)是擬合函數(shù)，y＝ε_(x，y)是誤差函數(shù)，y＝f_(x，y)是P_i的實(shí)值函數(shù)，此外，

g_(x，y)＝(x-a)²+(y-b)²＝r²

所以我們得到ε_(x，y)＝f_(x，y)-g_(x，y)和P_i的誤差ε_i＝f_i-g_i，令

S是關(guān)于a和b的二次函數(shù)，當(dāng)S取最小值時(shí)，可計(jì)算出理想擬合方程g_(x，y)以及相應(yīng)環(huán)邊緣的中心M。

進(jìn)一步地，步驟(4)中，包括如下步驟；

(4.1)單環(huán)管片環(huán)面錯(cuò)臺(tái)計(jì)算

取6對(duì)邊緣點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，每對(duì)邊緣點(diǎn)Q_i(x_1i，y_1i)和Q′_i(x_2i，y_2i)中一個(gè)的x值和其他5對(duì)的x值比較，將6個(gè)x值從小到大排列對(duì)應(yīng)的i分別取值1到6，由此決定了錯(cuò)臺(tái)發(fā)生的位置；

如果擬合環(huán)平面中心點(diǎn)為M(a，b)，環(huán)平面內(nèi)相鄰管片間的錯(cuò)臺(tái)值L_i1可以按如下公式計(jì)算：

另一側(cè)的錯(cuò)臺(tái)值L_i2以及其他環(huán)的錯(cuò)臺(tái)值也可以采用相同的算法計(jì)算；

(4.2)單環(huán)管片軸向錯(cuò)臺(tái)計(jì)算

當(dāng)軸線線方向上存在錯(cuò)臺(tái)，取六組邊緣點(diǎn)(x_1i，y_1i，z_1i)和(x_2i，y_2i，z_2i)，相鄰管片間沿環(huán)平面法線方向的錯(cuò)臺(tái)值L′_i可以按以下方法計(jì)算：

L′_i＝Δz＝|Z_1i-Z_2i|，i＝1，2，...，6

(4.3)環(huán)間錯(cuò)臺(tái)計(jì)算

取A_L和B_F兩個(gè)邊緣，投影到xy平面，A_L邊緣的中心M_A發(fā)出一條射線與A_L和B_F兩個(gè)邊緣在xy平面相交產(chǎn)生線段P_iAP_iB；通過(guò)360°的窮舉過(guò)程，以M_A為中心每0.05°一個(gè)共形成72個(gè)P_iAP_iB，計(jì)算的長(zhǎng)度記為D_iAB；在以M_A為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系中，所有的P_iAP_iB線段分布在四個(gè)象限中，代表了四個(gè)不同的方向，命名為+X+Y，-X+Y，-X-Y和+X-Y，每個(gè)象限的D_iAB最大值如(D_iAB|+X+Y)_MAX的形式；在邊緣B_F的中心M_B采用同樣的窮舉法計(jì)算線段P_iBP_iA，得到四個(gè)D_iBA的最大值(D_iBA|+X+Y)_MAx；四個(gè)象限中相鄰環(huán)的錯(cuò)臺(tái)值如下：

四個(gè)象限中特定的錯(cuò)臺(tái)位置通過(guò)最長(zhǎng)線段和x軸正方向的角度表示，該角度如下：

坐標(biāo)x_i1，y_i1和x_i2，y_i2是最長(zhǎng)線段的兩個(gè)端點(diǎn)，坐標(biāo)a和b是邊緣環(huán)中心的坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，步驟(5)中，對(duì)于一個(gè)橢圓環(huán)，它的兩側(cè)提取邊緣都被用于計(jì)算橢圓度，平均值就作為環(huán)的橢圓度；單側(cè)邊緣的橢圓度按照如下方式計(jì)算：

邊緣上有一點(diǎn)P_i，到z軸的距離是r_i，中心對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P′_i到z軸的距離為r′_i；另一點(diǎn)P_j以及它的中心對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P′_j到z軸的距離分別為r_j和r′_j；邊緣環(huán)平面的中心點(diǎn)為M(a，b)，向量和的角度為90°；橢圓形邊緣的橢圓度記為T(mén)_k，則有：

T_k＝MAX{|(r_i+r′_i)-(r_j+r′_j)|}，k＝1，2

上式中，

長(zhǎng)軸D₁＝MAX{(r_i+r′_i)，(r_j+r′_j)}，k＝1，2，

短軸D₂＝MIN{(r_i+r′_i)，(r_j+r′_j)}，k＝1，2，

進(jìn)一步地，步驟(6)中，每環(huán)管片的BIM模型中心點(diǎn)和點(diǎn)云中心點(diǎn)比對(duì)作從BIM模型中心點(diǎn)O(D，E，F(xiàn)）到點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合的實(shí)際中心點(diǎn)M(A，B，C)的向量，兩個(gè)中心之間的偏差距離ΔS即為該環(huán)的中心線偏差，按如下公式計(jì)算：

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種盾構(gòu)法隧道表觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，包括：表觀部位掃描單元、分析診斷單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；

表觀部位掃描單元包括激光發(fā)射器、激光接收器、管片拼裝點(diǎn)云模型處理器；管片拼裝點(diǎn)云模型處理器包括激光觸發(fā)端口和信號(hào)接收端口，激光觸發(fā)端口連接激光發(fā)射器，信號(hào)接收端口連接激光接收器；

分析診斷單元包括分析診斷處理器、模型整合處理器；分析診斷處理器的數(shù)據(jù)輸入端連接模型整合處理器的數(shù)據(jù)輸出端；分析診斷處理器包括預(yù)置源數(shù)據(jù)模塊，預(yù)置源數(shù)據(jù)模塊包含管片拼裝各特征數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括管片BIM模型存儲(chǔ)器、管片拼裝點(diǎn)云模型存儲(chǔ)器；BIM模型存儲(chǔ)器、管片拼裝點(diǎn)云模型存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出端連接模型整合處理器；管片拼裝點(diǎn)云模型存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸入端連接管片拼裝點(diǎn)云模型處理器；

其中，激光發(fā)射器發(fā)射用于向管片壁發(fā)射激光，激光接收器用于接收管片壁反射回的激光信號(hào)，并將接收到的反射激光信號(hào)發(fā)送給管片拼裝點(diǎn)云模型處理器，管片拼裝點(diǎn)云模型處理器用于根據(jù)接收到的反射激光信號(hào)處理得到管片拼裝點(diǎn)云模型；

模型整合處理器用于整合管片BIM模型、管片拼裝點(diǎn)云模型；

分析診斷處理器用于對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到管片的各實(shí)際參數(shù)，以及將上述參數(shù)與預(yù)置源數(shù)據(jù)模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，生成診斷報(bào)告。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用激光掃描技術(shù)，通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速大量地采集空間點(diǎn)位信息，為高效率、高精度建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。利用實(shí)時(shí)獲取的三維影像模型與BIM模型實(shí)時(shí)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)體表觀質(zhì)量的及時(shí)、高效、精準(zhǔn)檢測(cè)診斷。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的預(yù)處理流程圖；

圖2是本發(fā)明所述的變換坐標(biāo)系的示意圖；

圖3是本發(fā)明所述的邊線提取的向量求和算法中邊緣點(diǎn)與內(nèi)部點(diǎn)的示意圖；

圖4是本發(fā)明所述的四環(huán)管片以及各環(huán)管片邊緣的編號(hào)示意圖；

圖5是本發(fā)明所述的組成環(huán)的6段管片的編號(hào)示意圖；

圖6是本發(fā)明所述的單環(huán)管片法向錯(cuò)臺(tái)示意圖；

圖7是本發(fā)明所述的管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)示意圖；

圖8是本發(fā)明所述的橢圓度計(jì)算中的長(zhǎng)短軸示意圖；

圖9是本發(fā)明所述的點(diǎn)云模型中心線與隧道設(shè)計(jì)BIM模型中心線比對(duì)示意圖；

圖10是本發(fā)明盾構(gòu)法隧道表觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

下面參照?qǐng)D1、圖2、圖3對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明

在計(jì)算錯(cuò)臺(tái)值和橢圓度前，需對(duì)多環(huán)管片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。假設(shè)一次掃描和檢測(cè)4環(huán)管片的數(shù)據(jù)得到N個(gè)點(diǎn)，需要經(jīng)過(guò)圖1所示的4個(gè)步驟來(lái)完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

(1)坐標(biāo)系建立

如圖2所示，我們規(guī)定z軸沿隧道的中心軸線方向。因此，要建立坐標(biāo)系首先要計(jì)算中心軸線方向向量。隧道中心軸線方向向量采用最小二乘法計(jì)算，對(duì)于一個(gè)環(huán)管點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行鄰域求法向量，理想情況下，環(huán)管上的點(diǎn)法向量均由圓心向外發(fā)散，需要求得一個(gè)向量與所有法向量乘積最小，即為軸向。設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)為(a_i,b_i,c_i)，軸向向量為(x,y,z)，滿足a_ix+b_iy+c_iz＝0。對(duì)于n個(gè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，該公式并沒(méi)有唯一的解，采用最小二乘法，需要使得(a₁x+b₁y+c₁z)²......+(a_ix+b_iy+c_iz)²+.....(a_nx+b_ny+c_nz)²具有最小值T。

不妨設(shè)向量(x,y,z)中z＝1，y＝kx。則將計(jì)算T的最小值的式子轉(zhuǎn)換為：

(a₁x+b₁kx+c₁)²......+(a_ix+b_ikx+c_i)²+.....(a_nx+b_nkx+c_n)²

該式可簡(jiǎn)化為A(x-B)²+C，其中A,B,C均和k值有關(guān)，其最小值即C取最小值，C中只有k一個(gè)未知數(shù)，可以求得其最小時(shí)k的取值。同理可得當(dāng)x＝B時(shí)上式才有最小值，獲得k值以后，B也可求得，因而x,y皆可求得，即可求出軸向向量，規(guī)定該方向?yàn)閦軸，xy平面垂直于z軸，完成坐標(biāo)系的建立。

(2)非關(guān)鍵點(diǎn)剔除

在建立了坐標(biāo)系以后，四環(huán)管片的所有點(diǎn)云的坐標(biāo)可以立即用于計(jì)算。非關(guān)鍵點(diǎn)即點(diǎn)云邊界面內(nèi)的點(diǎn)可以通過(guò)設(shè)置z坐標(biāo)的取值范圍來(lái)剔除。我們?cè)谶@里認(rèn)為激光掃描精度，也就是同一點(diǎn)云中相鄰兩點(diǎn)的距離為μ。一個(gè)管片環(huán)的長(zhǎng)度為l，相鄰環(huán)間縫寬為大約2mm。

因此，第一環(huán)沿z軸正方向可以剔除的i個(gè)非關(guān)鍵點(diǎn)z坐標(biāo)取值范圍為：

aμ+b≤z_1i≤l-aμ+b；

以上的方程中，a是一個(gè)常量(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取值為6)，b是所有點(diǎn)z軸坐標(biāo)的最小值。第二環(huán)沿z軸正方向可以剔除的i個(gè)非關(guān)鍵點(diǎn)z坐標(biāo)取值范圍為：

aμ+l+2+b≤Z_2i≤2l+2-aμ+b；

以此類(lèi)推，第N環(huán)沿z軸正方向可以剔除的非關(guān)鍵點(diǎn)z坐標(biāo)取值范圍為：

aμ+(N-1)(l+2)+b≤z_ni≤Nl+2(N-1)-aμ+b，N＝1，2...

剔除非關(guān)鍵點(diǎn)根據(jù)上述規(guī)則進(jìn)行，可以在極大程度上減少之后的計(jì)算工作。

(3)邊線提取

邊線提取采用了一種向量求和算法。假設(shè)在一個(gè)激光掃描獲取的點(diǎn)云中，存在任意一點(diǎn)P_i和8個(gè)相鄰點(diǎn)組成了8個(gè)向量

這8個(gè)向量的和V(P_i)可以按如下方法計(jì)算：

理想化的點(diǎn)云邊界上的點(diǎn)，以P_ie表示，V(P_ie)＝5μ(μ是兩點(diǎn)間的最小距離)。點(diǎn)云中間的點(diǎn)用P_ii表示，V(P_ii)＝0。這兩個(gè)方程用以區(qū)別P_ie和P_ii兩種點(diǎn)，如圖3所示。實(shí)際上，對(duì)于不均勻的點(diǎn)，2.5μ被認(rèn)為是區(qū)別P_ie和P_ii的臨界值。我們規(guī)定如果V(P_i)＞2.5μ，則P_i是P_ie，即P_i是點(diǎn)云邊界上的點(diǎn)，反之則P_i是P_ii，即P_i是點(diǎn)云中間的點(diǎn)。

(4)環(huán)中心擬合

實(shí)際上，隧道管片環(huán)是一個(gè)近似圓環(huán)的不規(guī)則環(huán)。因此，最小二乘法被應(yīng)用于最優(yōu)化圓擬合過(guò)程來(lái)找出管片環(huán)兩側(cè)邊緣的中心。以一個(gè)環(huán)邊緣為例，假定其確定的圓環(huán)平面中心M的坐標(biāo)為(a，b，c)，邊緣上一點(diǎn)P_i的坐標(biāo)為(x，y，z)。由于擬合過(guò)程是在圓環(huán)平面上完成的，M和P_i的z軸坐標(biāo)值相等，即c＝z?；蛘哒f(shuō)，只考慮了x軸和y軸，由此我們得到了：

f_(x，y)＝g_(x，y)+ε_(x，y)

上式中，y＝g_(x，y)是擬合函數(shù)，y＝ε_(x，y)是誤差函數(shù)，y＝f_(x，y)是P_i的實(shí)值函數(shù)，此外，

g_(x，y)＝(x-a)²+(y-b)²＝r²

所以我們得到ε_(x，y)＝f_(x，y)-g_(x，y)和P_i的誤差ε_i＝f_i-g_i，我們讓

以上的方程可以代入所有點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，S是關(guān)于a和b的二次函數(shù)。當(dāng)S取最小值時(shí)，可計(jì)算出理想擬合方程g_(x，y)以及相應(yīng)環(huán)邊緣的中心M。中心點(diǎn)M坐標(biāo)將應(yīng)用于環(huán)間錯(cuò)臺(tái)值、橢圓度和中心線偏差的計(jì)算。

下面參照?qǐng)D4、圖5、圖6、圖7對(duì)錯(cuò)臺(tái)值計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明

如圖4所示，將4環(huán)管片根據(jù)拼裝順序命名為A，B，C，D。8個(gè)管片環(huán)的邊緣已通過(guò)預(yù)處理提取，邊緣根據(jù)所在環(huán)命名為A_F/A_L，B_F/B_L，C_F/C_L和D_F/D_L。根據(jù)錯(cuò)臺(tái)產(chǎn)生的不同位置，錯(cuò)臺(tái)被分為單獨(dú)一環(huán)中的錯(cuò)臺(tái)和兩環(huán)間的錯(cuò)臺(tái)，前者包括環(huán)面上的錯(cuò)臺(tái)和軸線方向上的錯(cuò)臺(tái)。由于盾構(gòu)機(jī)頂推油缸的推壓運(yùn)動(dòng)，軸線方向上的錯(cuò)臺(tái)很少在實(shí)際工程中發(fā)生，但也給出了計(jì)算方法。所有的錯(cuò)臺(tái)都可以以這八個(gè)邊緣環(huán)為例計(jì)算。

(1)單環(huán)管片環(huán)面錯(cuò)臺(tái)計(jì)算

假定6個(gè)管片構(gòu)成一環(huán)，環(huán)的兩側(cè)都需要經(jīng)過(guò)錯(cuò)臺(tái)計(jì)算。這里將一側(cè)的計(jì)算作為例子來(lái)闡明算法。如圖5所示，邊緣產(chǎn)生的環(huán)平面被分成6段并按順序編號(hào)。與邊線提取相似，我們采用向量求和算法來(lái)提取6段環(huán)邊緣的端點(diǎn)。在點(diǎn)均勻分布的邊緣提取中，距離任意點(diǎn)P_ie最接近的兩個(gè)點(diǎn)和計(jì)算向量和為：

將端點(diǎn)命名為P_iee，其他點(diǎn)命名為P_iei，通過(guò)方程

可以從邊緣所有的點(diǎn)中找出端點(diǎn)。當(dāng)V(P_ie)＞μ時(shí)，我們規(guī)定P_ie為P_iee，即P_ie為端點(diǎn)。

根據(jù)算法，有12個(gè)端點(diǎn)被找出，它們?cè)趯?duì)應(yīng)的坐標(biāo)系中有完全相同的在環(huán)平面內(nèi)的z坐標(biāo)值，所以只有xy坐標(biāo)需要考慮。每一個(gè)端點(diǎn)都分別與其他11個(gè)端點(diǎn)計(jì)算距離來(lái)找出最近的點(diǎn)。如果一個(gè)端點(diǎn)是Q_i，與之最近的點(diǎn)是Q′_i，那么

|Q_iQ′_i|＝min{|Q_iQ_j|，i，j＝1，2，...，12，i≠j}；

因此，6對(duì)邊緣點(diǎn)被用于計(jì)算環(huán)平面上6個(gè)位置的錯(cuò)臺(tái)值。每對(duì)邊緣點(diǎn)Q_i(x_1i，y_1i)和Q′_i(x_2i，y_2i)中一個(gè)的x值和其他5對(duì)的x值比較。將6個(gè)x值從小到大排列對(duì)應(yīng)的i分別取值1到6，由此決定了錯(cuò)臺(tái)發(fā)生的位置。如果擬合環(huán)平面中心點(diǎn)為M(a，b)，環(huán)平面內(nèi)相鄰管片間的錯(cuò)臺(tái)值L_i1可以按如下公式計(jì)算：

管片環(huán)另一側(cè)的錯(cuò)臺(tái)值L_i2以及其他環(huán)的錯(cuò)臺(tái)值也可以采用相同的算法計(jì)算。

(2)單環(huán)管片軸向錯(cuò)臺(tái)計(jì)算

當(dāng)軸線線方向上存在錯(cuò)臺(tái)，如圖6所示，同一環(huán)邊緣上的不再具有相同的z坐標(biāo)值。采用與上述相同的方法識(shí)別和定位六組邊緣點(diǎn)(x_1i，y_1i，Z_1i)和(x_2i，y_2i，Z_2i)，相鄰管片間沿環(huán)平面法線方向的錯(cuò)臺(tái)值L′_i可以按以下方法計(jì)算：

L′_i＝Δz＝|Z_1i-Z_2i|，i＝1，2，...，6

(3)環(huán)間錯(cuò)臺(tái)計(jì)算

采用圖7中A_L和B_F兩個(gè)邊緣為例，在相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系中，投影到xy平面，A_L邊緣的中心M_A發(fā)出一條射線與A_L和B_F兩個(gè)邊緣在xy平面相交產(chǎn)生線段P_iAP_iB。通過(guò)360°的窮舉過(guò)程，以M_A為中心每0.05°一個(gè)共形成72個(gè)P_iAP_iB，計(jì)算的長(zhǎng)度記為D_iAB。在以M_A為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系中，所有的P_iAP_iB線段分布在四個(gè)象限中，代表了四個(gè)不同的方向，命名為+X+Y，-X+Y，-X-Y和+X-Y。每個(gè)象限的D_iAB最大值如(D_iAB|+X+Y)_MAX的形式。在邊緣B_F的中心M_B采用同樣的窮舉法計(jì)算線段P_iBP_iA，同樣也會(huì)產(chǎn)生四個(gè)D_iBA的最大值(D_iBA|+X+Y)_MAX。四個(gè)象限中相鄰環(huán)的錯(cuò)臺(tái)值可做如下計(jì)算：

四個(gè)象限中特定的錯(cuò)臺(tái)位置通過(guò)最長(zhǎng)線段和x軸正方向的角度表示，該角度可按如下方法計(jì)算：

坐標(biāo)x_i1，y_i1和x_i2，y_i2是最長(zhǎng)線段的兩個(gè)端點(diǎn)。坐標(biāo)a和b是邊緣環(huán)中心的坐標(biāo)。

下面參照?qǐng)D8對(duì)橢圓度計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明

對(duì)于一個(gè)橢圓環(huán)，它的兩側(cè)提取邊緣都被用于計(jì)算橢圓度，平均值就作為環(huán)的橢圓度。單側(cè)邊緣的橢圓度計(jì)算說(shuō)明如下。邊緣上有一點(diǎn)P_i，到z軸的距離是r_i，中心對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P′_i到z軸的距離為r′_i。另一點(diǎn)P_j以及它的中心對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P′_j到z軸的距離分別為r_j和r′_j。邊緣環(huán)平面的中心點(diǎn)為M(a，b)，向量和的角度為90°。橢圓形邊緣的橢圓度記為T(mén)_k，可作如下計(jì)算：

T_k＝MAX{|(r_i+r′_i)-(r_j+r′_j)|}，k＝1，2

上式中，長(zhǎng)軸D₁＝MAX{(r_i+r′_i)，(r_j+r′_j)}，k＝1，2，短軸D₂＝MIN{(r_i+r′_i)，(r_j+r′_j)}，k＝1，2，以及

下面參照?qǐng)D9對(duì)隧道中心線偏差計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明

為了獲取隧道點(diǎn)云模型中心線，多環(huán)管片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理提取邊線用于中心擬合，擬合中心點(diǎn)連接成線就形成了隧道實(shí)際中心線，在這一計(jì)算過(guò)程中，采用的坐標(biāo)為絕對(duì)坐標(biāo)(即大地坐標(biāo))。

根據(jù)整個(gè)隧道BIM模型，所有隧道BIM模型截面圓環(huán)的中心點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)都是已知的，這些設(shè)計(jì)坐標(biāo)都是絕對(duì)坐標(biāo)。在絕對(duì)坐標(biāo)系中，采用每環(huán)管片的端面圓中心點(diǎn)代表整環(huán)的截面中心點(diǎn)(如圖4中的A_F，B_F，C_F和D_F)。每環(huán)管片的BIM模型中心點(diǎn)和點(diǎn)云中心點(diǎn)比對(duì)作從BIM模型中心點(diǎn)O(D，E，F(xiàn)）到點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合的實(shí)際中心點(diǎn)M(A，B，C)的向量，兩個(gè)中心之間的偏差距離AS即為該環(huán)的中心線偏差，按如下公式計(jì)算：

請(qǐng)參照?qǐng)D10，本發(fā)明的一種盾構(gòu)法隧道表觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，包括：表觀部位掃描單元、分析診斷單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

表觀部位掃描單元包括激光發(fā)射器、激光接收器、管片拼裝點(diǎn)云模型處理器；管片拼裝點(diǎn)云模型處理器包括激光觸發(fā)端口和信號(hào)接收端口，激光觸發(fā)端口連接激光發(fā)射器，信號(hào)接收端口連接激光接收器。

分析診斷單元包括分析診斷處理器、模型整合處理器；分析診斷處理器的數(shù)據(jù)輸入端連接模型整合處理器的數(shù)據(jù)輸出端；分析診斷處理器包括預(yù)置源數(shù)據(jù)模塊，預(yù)置源數(shù)據(jù)模塊包含管片拼裝各特征數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括管片BIM模型存儲(chǔ)器、管片拼裝點(diǎn)云模型存儲(chǔ)器；BIM模型存儲(chǔ)器、管片拼裝點(diǎn)云模型存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出端連接模型整合處理器；管片拼裝點(diǎn)云模型存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸入端連接管片拼裝點(diǎn)云模型處理器。

其中，激光發(fā)射器發(fā)射用于向管片壁發(fā)射激光，激光接收器用于接收管片壁反射回的激光信號(hào)，并將接收到的反射激光信號(hào)發(fā)送給管片拼裝點(diǎn)云模型處理器，管片拼裝點(diǎn)云模型處理器用于根據(jù)接收到的反射激光信號(hào)處理得到管片拼裝點(diǎn)云模型。

模型整合處理器用于整合管片BIM模型、管片拼裝點(diǎn)云模型；分析診斷處理器用于對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到管片的各實(shí)際參數(shù)，以及將上述參數(shù)與預(yù)置源數(shù)據(jù)模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，生成診斷報(bào)告。

分析診斷單元還包括顯示器，分析診斷處理器、模型整合處理器均設(shè)有圖像輸出端口，以連接顯示器并輸出整合后的模型和診斷報(bào)告。模型整合處理器還包括連接分析診斷處理器的數(shù)據(jù)輸入端口，以及連接管片拼裝點(diǎn)云存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出端口；模型整合處理器用于接收分析診斷處理器的分析診斷結(jié)果，并將分析診斷結(jié)果整合到各模型中存儲(chǔ)到各模型存儲(chǔ)器，以及將整合了診斷結(jié)果的模型輸出到顯示器。

在本實(shí)施例中，所有數(shù)據(jù)和模型均通過(guò)模型整合處理器后發(fā)送到顯示器進(jìn)行顯示，顯示結(jié)果可以是整合了檢測(cè)診斷結(jié)果的模型，也可以是各存儲(chǔ)器內(nèi)的原始模型。

在其他實(shí)施例中，管片BIM模型存儲(chǔ)器、管片拼裝點(diǎn)云模型存儲(chǔ)器均設(shè)有圖像輸出端口，分別連接顯示器，以直接顯示模型。分析診斷處理器還包括連接管片拼裝點(diǎn)云模型存儲(chǔ)器、管片壓漿分布模型存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)端口，以直接調(diào)取管片拼裝點(diǎn)云模型進(jìn)行分析及診斷。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。