一种隧道三维形貌快速建模的方法

1.一种隧道三维形貌快速建模的方法，其特征在于，包括检测车,检测车车轮轴承相应位置设置旋转编码器，检测车车体相应位置设置二维激光雷达和倾角传感器；旋转编码器与控制器PLC连接，并将相应转换计算后的数据传送给上位机，二维激光雷达将获取的相应信息以TCP/IP协议的通信方式发送给上位机，倾角传感器将采集到的X轴、Y轴的倾斜角度以串口通信方式发送给上位机；具体的建模步骤如下：1)数据采集步骤：旋转编码器、二维激光雷达和倾角传感器采集相应的数据；2)数据处理步骤：上位机同时开启三个线程，分别轮询步骤1)中的三个接收端口，分别保存里程数据、二维激光雷达发送的截面数据和倾角传感器发送的X、Y两轴的倾斜角度数据；上位机中剔除里程数变化值小于设定值的里程数据；再根据保存数据的时间戳，选取对应的截面数据与倾斜角度数据并保存，形成相应的三维数据；3)滤波处理步骤：上位机将三维坐标点数据保存至数据库，再根据里程范围从数据库中读取相应三维建模的三维坐标点数据；将相应三维坐标点数据进行滤波处理，剔除离群点；滤波处理是对每个Z轴数据对应的那组(X、Y)二维坐标点数据进行离群点滤波，其具体如下：首先遍历该组(X、Y)二维坐标点集，求解该点集中的每个点和临近点距离的平均值；再求该点集中的每个点和临近点距离的标准差；最后由平均值μ和标准差σ确定一个范围，离群点被定义为该点和临近点的平均距离不在该范围内的点，记录这些离群点对应的临近点，并将这些离群点从数据点集中删除即可；4)数据增补步骤：对步骤3)处理后的数据进行修补处理和增密处理；修补处理是对记录的每组临近点做修补，其具体处理步骤如下：4.1.1)依次对记录的每组临近点求出距离最短的两坐标点(X1，Y1)、(X2，Y2)；4.1.2)判断每组所求最短距离是否大于μ+3*σ且小于2*(μ+3*σ)，若是，则将对应的坐标点((X1+X2)/2,(Y1+Y2)/2)添加到点集中；增密处理是对修补处理后的新点集进行插值处理，使得数据密度变得比较均匀，其具体处理步骤如下：4.2.1)遍历新点集，求每个点的最近点，若该点和最近点的间距大于设定距离1且小于设定距离2时，则将两点的中间点添加到点集中；4.2.2)重复遍历步骤4.2.1)执行得到的点集，直到点集中的所有点和最近点的间距在设定距离1至设定距离2范围内，都得到处理；5)数据重建步骤：将在步骤4)处理后的数据进行隧道曲面重建，具体处理如下：5.1)将步骤4)处理后的数据通过法线投影到二维坐标平面内；5.2)对投影得到的数据做平面内的三角化，从而得到各点的拓扑连接关系；平面三角化的过程中用到了基于Delaunay三角剖分的空间区域增长算法；5.3)根据平面内投影点的拓扑连接关系确定各原始三维点间的拓扑连接，所得三角网格即为重建得到的隧道曲面模型。 2.根据权利要求1所述的一种隧道三维形貌快速建模的方法，其特征在于：二维激光雷达安装高度距离轨面1m，检测车检测过程中设定的最高时速为2.5公里每小时，二维激光雷达采用能对5m远处的目标物进行扫描的，且二维激光雷达采用的是一个截面的一次扫描传输时间为20ms的；当二维激光雷达完成一个截面的一次扫描并完成传输数据时，检测车每20ms时间的最大行驶距离为1.39cm，故上位机将里程数变化值设定为2cm；为采集连续若干段隧道的弧形截面，将二维激光雷达的起始测量角度设定为-45°，终止测量角度设定为225°，共270°，每0.25°测量一个，每段共得到1081个测量数据。 3.根据权利要求2所述的一种隧道三维形貌快速建模的方法，其特征在于：相邻的测量点间距即为 与里程数变化值设定值相近，对于采集连续若干段同半径的弧形截面，可形成点间距为2cm的三维点数据，即采集的原始点数据精度达到2cm。 4.根据权利要求1所述的一种隧道三维形貌快速建模的方法，其特征在于：步骤2)中的倾斜角度数据补正具体包括如下：情况1，隧道有上坡路段，且坡角为α°，即Y轴倾斜α°，当前里程点相对已保存，且对应Y轴倾斜角度为0的最临近里程点距离为M，则修正后的坐标点Y ′ ＝Y+M*sin(α°)；情况2，隧道有下坡路段，且坡角为α°，即Y轴倾斜-α°，当前里程点相对已保存，且对应Y轴倾斜角度为0的最临近里程点距离为M，则修正后的坐标点Y ′ ＝Y-M*sin(α°)；情况3，隧道有左拐路段，且拐角为α°，即X轴倾斜-α°，当前里程点相对已保存，且对应X轴倾斜角度为0的最临近里程点距离为M，则修正后的坐标点X ′ ＝X-M*sin(α°)；情况4，隧道有右拐路段，且拐角为α°，即X轴倾斜α°，当前里程点相对已保存，且对应X轴倾斜角度为0的最临近里程点距离为M，则修正后的坐标点X ′ ＝X+M*sin(α°)。 5.根据权利要求1所述的一种隧道三维形貌快速建模的方法，其特征在于：步骤3)中的数据库具体操作如下：3.1)执行数据库连接，根据数据库服务器主机地址、用户名和密码执行数据库连接函数，数据库连接结果包括数据库连接成功、数据库连接异常和数据库连接失败；3.2)判断数据库是否连接成功，若数据库连接成功，则根据数据库名称执行数据库是否存在命令；若数据库连接异常或者失败，则将数据库连接结果写入日志并返回连接结果；3.3)若数据库存在，则根据数据表名称依次执行数据表是否存在命令；若对应的数据表存在，则执行保存或读取数据命令；若对应的数据表不存在，则创建数据表，并对数据表进行写入默认参数操作；若数据库不存在，则先执行创建数据库命令创建数据库，再创建参数表并写入默认参数；3.4)根据数据库操作结果在界面中显示结果信息。 6.根据权利要求1所述的一种隧道三维形貌快速建模的方法，其特征在于：步骤2)中的三维数据是将上位机将筛选后保存的里程数据作为Z轴数据，遍历倾斜角度数据，判断两轴倾斜角度数据是否均为零，若是，则按时间戳直接利用已保存的对应截面数据，通过三角函数转换，将二维激光雷达测量所得距离数据转换成X轴、Y轴数据；若X轴、Y轴的倾斜角度均不为零，先按对应的截面数据得到二维坐标点(X,Y)数据，接着计算当前里程点相对已保存，且对应X轴倾斜角度为0的最临近里程点的X轴的偏移角度，再计算当前里程点相对已保存，且对应Y轴倾斜角度为0的最临近里程点的Y轴的偏移角度，利用上述计算得到的两轴偏移角度以及当前里程点与满足条件的最临近里程点距离之差，修正二维坐标点(X,Y)数据；若只是其中一轴倾斜角度不为零，则同样按上述方式处理数据，对该轴坐标点进行修正。