一种基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法及装置

1.一种基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过激光扫描采集P期不同时间下目标隧道初支区段的点云数据，对每期点云数据逐一进行施工坐标系变换并构建每期三维三角网格模型Mp；其中，p=1,2,3,...,P；S2、基于隧道初支轮廓设计图和设计隧道中心轴线构建目标隧道初支区段的参考三维三角网格模型M0；S3、计算所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量N及网格顶点法向量直线L；S4、通过层次包围盒检测算法得到所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线L与每期三维三角网格模型Mp的相交三角面片，从而得到每期三维三角网格模型Mp的相交关系列表；S5、根据每期三维三角网格模型Mp的相交关系列表计算每期三维三角网格模型Mp的变形量；S6、将除却第一期的其他期三维三角网格模型的变形量与第一期三维三角网格模型M1的变形量作差，获得其他期三维三角网格模型对于第一期三维三角网格模型M1的变形量。 2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，步骤S4中所述层次包围盒检测算法具体包括以下步骤：S41、为每期三维三角网格模型Mp的所有三角网格面片计算其对应的包围盒得到原始包围盒集；S42、将原始包围盒集作为根节点，并计算包含原始包围盒集的包围盒作为根节点的包围盒，然后以根节点为当前节点，递归地根据当前节点的包围盒最长轴的方向作为分割轴，按包围盒重心坐标的中位数位置对当前节点中的包围盒集进行二分得到二叉树结构的层次包围盒；S43、从层次包围盒的根节点出发，选择根节点的两个子节点，分别检查子节点的包围盒与所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线L是否相交，若相交则将子节点加入相交检测表；S44、依次取出相交检测列表中的节点进行相交测试：若节点为叶子节点，则对叶子节点包含的所有三角网格面片进行直线-三角形相交测试；否则分别检查节点的子节点的包围盒是否与所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线L相交，若相交则将子节点加入相交检测列表；S45、重复步骤S44直至完成相交检测列表中所有节点的相交测试得到每期三维三角网格模型Mp的相交关系列表。 3.根据权利要求2所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，步骤S42中所述递归地根据当前节点的包围盒最长轴的方向作为分割轴，按包围盒重心坐标的中位数位置对当前节点中的包围盒集进行二分得到二叉树结构的层次包围盒具体包括：二分时将当前节点的包围盒最长轴的方向作为分割轴，按包围盒重心坐标的中位数位置将当前节点的包围盒集二分得到左右两个包围盒子集分别构建左子节点与右子节点，每个子节点分别计算包含各自包围盒子集的包围盒，即左子节点的包围盒与右子节点的包围盒；当子节点所含包围盒子集的数量不超过预设阈值或递归深度达到上限时，停止划分，将该子节点标记为叶子节点；否则将子节点作为当前节点继续进行递归二分，最终形成一棵二叉树结构的层次包围盒。 4.根据权利要求2所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，步骤S43中所述子节点的包围盒与所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线L相交的充要条件为： ； 表示网格顶点的法向量直线 在三个坐标轴上的最小交点； 表示网格顶点的法向量直线 在三个坐标轴上的最大交点；其中： ；其中， 表示空间中的三个坐标轴方向； 表示参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量 在i轴上的分量； 表示参考三维三角网格模型M0的网格顶点坐标在i轴上的分量； 表示所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线L与包围盒在i轴最小边界的交点； 表示所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线 与包围盒在i轴最大边界的交点； 表示包围盒在i轴上的最小值； 表示包围盒在i轴上的最大值。 5.根据权利要求2所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，步骤S44中所述直线-三角形相交测试具体为：若满足 且u,v,w均大于等于0，则判定所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线L与由三角网格面片三个顶点 构成的三角形相交，此时将三角网格面片上的交点坐标 、参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线 对应的网格顶点坐标 、网格顶点法向量 及网格顶点编号I构建元组放入每期三维三角网格模型Mp的相交关系列表；否则认为不相交，不进行任何操作；其中， 为三角网格面片法向量；(u,v,w)为三角网格面片的重心坐标，且w=1-u-v； 表示从顶点 指向顶点 的向量； 表示从顶点 指向顶点 的向量。 6.根据权利要求5所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，所述三角网格面片的重心坐标可通过求解以下线性方程获得： ；其中，三角网格面片上的交点坐标 = 。 7.根据权利要求1所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，步骤S2具体包括：S21、从隧道初支轮廓设计图中提取设计初支的外轮廓线，将设计初支的外轮廓线按第一固定间距等分成多段线，提取等分点作为流线点；S22、以设计隧道中心轴线作为迹线，将流线点沿迹线方向按第二固定间距进行拉伸，构建形成目标隧道初支区段设计的参考点云；S23、将目标隧道初支区段设计的参考点云按预设连接规则连接形成三角网格结构，构建形成参考三维三角网格模型M0。 8.根据权利要求1所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，步骤S3具体包括：所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量N为参考三维三角网格模型M0中所有网格顶点的法向量 的集合，参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线L为参考三维三角网格模型M0中所有网格顶点的法向量直线 的集合；其中， 表示第s个网格顶点的法向量； 是经过第s个网格顶点沿其对应的法向量方向延伸的直线，可表示为： ，其中 表示第s个网格顶点坐标；t表示变量；s=1,2,...,S；S为参考三维三角网格模型M0包含的网格顶点的总数。 9.根据权利要求1所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，步骤S5具体包括：遍历计算每期三维三角网格模型Mp的相交关系列表中每个元素中三角网格面片上的交点坐标 与网格顶点坐标 的欧氏距离作为每期三维三角网格模型MP相对于网格顶点坐标 对应的第I个网格顶点的变形量，即每期三维三角网格模型MP的变形量为每期三维三角网格模型MP相对于参考三维三角网格模型M0所有网格顶点的变形量的集合。 10.一种基于激光扫描的隧道整体大变形测量装置，基于权利要求1-9中任一项所述的基于激光扫描的隧道整体大变形测量方法，其特征在于，包括如下单元：每期模型构建单元，用于通过激光扫描采集P期不同时间下目标隧道初支区段的点云数据，对每期点云数据逐一进行施工坐标系变换并构建每期三维三角网格模型Mp；其中，p=1,2,3,...,P；参考模型构建单元，用于基于隧道初支轮廓设计图和设计隧道中心轴线构建目标隧道初支区段的参考三维三角网格模型M0；法向量直线构建单元，用于计算所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量N及网格顶点法向量直线L；模型相交关系计算单元，用于通过层次包围盒检测算法得到所述参考三维三角网格模型M0的网格顶点法向量直线L与每期三维三角网格模型Mp的相交三角面片，从而得到每期三维三角网格模型Mp的相交关系列表；每期模型形变量计算单元，用于根据每期三维三角网格模型Mp的相交关系列表计算每期三维三角网格模型Mp的变形量；整体模型形变量计算单元，用于将除却第一期的其他期三维三角网格模型的变形量与第一期三维三角网格模型M1的变形量作差，获得其他期三维三角网格模型对于第一期三维三角网格模型M1的变形量。