(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210968920.7 (22)申请日 2022.08.12 (71)申请人 山东大学 地址 250061 山东省济南市历下区经十路 17923号 申请人 山东高速基础设施建 设有限公司 (72)发明人 刘健　张田涛　罗宏正　王凯　 崔立桩　李心秋　周立志　郑广顺　 丁猛　解全一　 (74)专利代理 机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 372 21 专利代理师 董雪 (51)Int.Cl. G06T 7/60(2017.01) G06T 7/10(2017.01)G06T 5/00(2006.01) G06T 3/60(2006.01) G06T 3/00(2006.01) G06F 17/10(2006.01) G06V 10/762(2022.01) (54)发明名称 一种隧道钢拱架点云间距及变形提取方法 及系统 (57)摘要 本发明公开了一种隧道钢拱架点云间距及 变形提取方法及系统， 包括： 获取隧道钢拱架施 工点云P1， 拟合出底面点云所在平面， 并获取点 云P在所述平面投影的平面点云P2； 根据所述平 面点云P2拟合直线， 并得出直线方向向量； 计算 拟合直线与某一坐标轴的夹角， 对所述点 云P1进 行旋转， 得到与某一坐标轴平行的隧道钢拱架施 工点云P3； 根据点云P3中每一个点的法向量计算 其各个轴向的分量来设置阈值提取钢拱架点云； 运用聚类算法分割得到单片钢拱架点云， 根据每 两个相邻的单片拱架点云之间的距离计算隧道 钢拱架的间距。 本发明方法具有良好的鲁棒性， 能很好地提取钢拱架点云并得到毫米级误差的 点云间距， 适用于隧道 施工质量 监测当中。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 115272444 A 2022.11.01 CN 115272444 A 1.一种隧道钢拱架点云间距及变形提取 方法， 其特 征在于， 包括： 获取隧道钢拱架施工点云P1， 拟合出底面点云所在平面， 并获取点云P在所述平面投影 的平面点云P2； 根据所述平面 点云P2拟合 直线， 并得 出直线方向 向量； 计算拟合直线与某一坐标轴的夹角， 对所述点云P1进行旋转， 得到与某一坐标轴平行 的隧道钢拱架 施工点云P3； 根据点云P3中每一个点的法向量计算 其各个轴向的分量 来设置阈值 提取钢拱架点云； 运用聚类算法分割得到单片钢拱架点云， 根据每两个相邻的单片拱架点云之间的距离 计算隧道钢拱架的间距。 2.如权利要求1所述的一种隧道钢拱架点云间距及变形提取方法， 其特征在于， 运用聚 类算法分割 得到单片钢 拱架点云之后， 对单片钢 拱架点云进行拟合， 提取单片钢 拱架点云 中的变形。 3.如权利要求2所述的一种隧道钢拱架点云间距及变形提取方法， 其特征在于， 对单片 拱架点云拟合空间三维圆环点云， 计算单片拱架点云的中线点云； 计算中线点云中每一点到三维圆环点云的最小距离， 将距离超出设定 阈值的点标记为 变形点。 4.如权利要求1所述的一种隧道钢拱架点云间距及变形提取方法， 其特征在于， 拟合底 面点云所在平面时， 通过循环迭代使平面距离阈值小于D且离群值的期 望概率满足Ex， 以保 证拟合出的平面与原地 面在同一平面； 其中D和Ex均为预 先设定的参数。 5.如权利要求1所述的一种隧道钢拱架点云间距及变形提取方法， 其特征在于， 根据 所 述平面点云P2拟合 直线， 具体包括： 对平面点云P2进行切片， 取 得各个切片的中点； 对切片中点所组成的点云的两端进行离群点去除， 然后采用RANSAC算法将各个切片的 中点拟合出直线。 6.如权利要求1所述的一种隧道钢拱架点云间距及变形提取方法， 其特征在于， 根据点 云P3中每一个点的法向量计算 其各个轴向的分量 来设置阈值 提取钢拱架点云； 具体包括： 计算点云P3中每一个点的法向量， 并获得沿隧道轴向方向的法向量分量； 提取法向量 分量属于某一设定值 域 ε 的点云， 得到钢拱架点云。 7.如权利要求1所述的一种隧道钢拱架点云间距及变形提取方法， 其特征在于， 获得钢 拱架点云之后， 对钢拱架点云采用半径统计组合滤波进 行去噪， 以消除噪声及离群点； 具体 过程为： 遍历点云， 对于半径内点云个数不满足某一设定阈值的点进行去 除； 对于满足半径内 点个数的点， 计算其半径内邻域点的平均 距离d1， 再计算全局标准差b和全局点云平均 距离 d2， 若d1>(b+d2)， 则去除该点。 8.如权利要求1所述的一种隧道钢拱架点云间距及变形提取方法， 其特征在于， 运用聚 类算法分割得到单片钢拱架 点云， 根据相 邻两个单片钢拱架 点云之间的距离计算隧道钢拱 架的间距， 具体为： 对钢拱架点云采用聚类算法依次提取所有单片钢拱架点云， 选择相邻的两个单片点云 作为P6、 P7；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115272444 A 2遍历单片钢拱架点云P6， 对P6中的每一点进行点云P7的最近邻查找， 计算点云P6、 P7中 对应点对的距离； 再选择下一组相邻的单片点云重复上述计算并得到距离； 计算所述每一组 的相邻单片点云距离的均值， 再将所述均值加上标准钢拱架宽度值的 一半， 所得值即为每相邻两钢拱架中线的距离 。 9.一种隧道钢拱架点云间距及变形提取系统， 其特 征在于， 包括： 位姿变换模块， 用于获取隧道钢拱架施工点云P1， 拟合出底面点云所在平面， 并获取点 云P在所述平面投影的平面 点云P2； 根据所述平面 点云P2拟合 直线， 并得 出直线方向 向量； 钢拱架点云提取模块， 用于计算拟合直线与邻近某一坐标轴的夹角， 对所述点云P1进 行旋转， 得到与某一坐标轴平行的隧道钢拱架施工点云P3； 根据点云P3中每一个点的法向 量计算其各个轴向的分量 来设置阈值 提取钢拱架点云； 单片钢拱架提取模块， 用于运用聚类算法分割得到单片钢拱架点云； 间距检测模块， 用于根据每两个相邻的单片拱架点云之间的距离计算隧道钢拱架的间 距。 10.如权利要求9所述的一种隧道钢拱架点云间距及变形提取系统， 其特征在于， 其特 征在于， 还包括： 变形检测模块， 用于运用聚类算法分割 得到单片钢拱架点云之后， 对单片 钢拱架点云进行拟合， 提取 单片钢拱架点云中的变形。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115272444 A 3