Study on Point Cloud Data-based Automatic Extraction Method for Tunnel Central Axis

李兵，杨勇，吴英勇（西南大学资源环境学院，重庆　400715）



基于点云数据的隧道中轴线自动提取方法研究

Study on Point Cloud Data-based Automatic Extraction Method for Tunnel Central Axis

李兵，杨勇，吴英勇
（西南大学资源环境学院，重庆400715）

摘要：隧道中轴线可以反映隧道的整体走势，而中轴线的准确性影响着隧道点云数据的后续处理。对此，该文提出一种自动提取中轴线的方法，将点云数据投影后利用单位圆极坐标相邻角度差来确定边界点，根据RanSAC算法对不同参数模型进行统计，对直线段、缓和曲线及曲线的曲段进行区分，然后利用RanSAC算法对不同区段拟合，提取各区段的中轴线，对各区段中轴线进行加权整体最小二乘法拟合，最终得到整段中轴线。该文采用上海隧道点云数据进行了中轴线自动提取实验。实验证明了该方法能有效提取中轴线。

关键词：中轴线；边界点；RanSAC算法；最小二乘法

Abstract:The tunnel central axis can reflect the overall trend of the tunnel，and its accuracy affects the processing of the tunnel point cloud data. In this paper, the automatic extraction method for central axis is presented, with which the boundary points can be determined. Different sections are fitted by RanSAC algorithm，and the central axis can be obtained through that of each section. The automatic extraction experiment is done with the point cloud data of Shanghai tunnel, and it shows that this method is proven to be effective.

Keywords:central axis; boundary points; RanSAC algorithm; least square method

引言

隧道中轴线的检测不仅在施工过程中可以控制保证施工仪器沿着设计的轴线掘进，还可以随时提供掘进仪器的位置姿态，保证隧道贯穿精度，如图1所示。再者，在隧道保养维护期间，可以通过中轴线的测量来检测隧道的变形情况。

图1　隧道中轴线偏差（水平）

隧道中轴线是由各自独立的平曲线和竖曲线组合而成。平曲线包括直线、缓和曲线、曲线等3种；竖曲线包括直线、凸曲线、凹曲线等3种[1]。

通过中轴线，很多有关方面的问题都能很好的控制，如人体肠道的自动虚拟导航就是使用肠道的中心线来控制虚拟摄像头的运动和方向的[2]。……