[发明专利]一种基于特征变换的隧道拱架点云自动提取方法及装置

权利要求书

1.一种基于特征变换的隧道拱架点云自动提取方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取立过拱架的隧道开挖面点云P，对所述点云P进行预处理和去冗余处理，得到消除冗余数据的隧道点云P₂；

步骤2：构建以开挖方向为x轴的空间直角坐标系C_S；

步骤3：剔除隧道点云P₂的地面点，获取不含隧道底部数据的隧道点云P₃，将隧道点云P₃所在的隧道点云坐标系记为原始隧道点云坐标系C_O；

步骤4：计算原始隧道点云坐标系C_O与空间直角坐标系C_S之间的变换矩阵M，根据所述变换矩阵M将隧道点云P₃变换为空间直角坐标系C_S下的隧道点云P₄；

步骤5：将隧道点云P₄投影到以开挖方向为法向的平面上，得到平面直角坐标系下的二维隧道点云P₅，并构建三维隧道点与二维隧道点之间的映射关系f₁；

步骤6：统计二维隧道点云P₅的点密度信息，选取n个密度区间；

步骤7：使用DBSCAN算法对二维隧道点云P₅按照n个点密度区间依次由高到低地进行自动聚类分割，得到若干个不同的点云子集{S_i}，i代表点云子集的序号；然后统计每个点云子集包含的点数，将点数最多的点云子集S_t作为隧道侧壁投影在平面上的点云；

步骤8：根据点云子集 S_t拟合最优椭圆弧E，得到椭圆弧E的数学模型；

步骤9：以椭圆弧E为基准裁剪点云子集S_t，得到平面直角坐标系下的点云S_j；

步骤10：将点云S_j按照椭圆弧E展开为直线进行坐标变换得到平面点云S_k，并构建点云坐标变换前后点的映射关系f₂；

步骤11：根据映射关系f₁和映射关系f₂，得到点云S_k对应的深度信息，进而将点云S_k扩展为空间直角坐标系下的点云P_k；

步骤12：利用点云的地面滤波算法将点云P_k分离为隧道侧壁点云P_s和拱架点云P_g；

步骤13：根据拱架点云P_g采用聚类分割获取单个拱架点云其中m表示拱架的序号；然后根据变换矩阵M、映射关系f₁和映射关系f₂计算得到各个拱架点云在原始隧道点云坐标系C_O下的坐标。

2.根据权利要求1所述的隧道拱架点云自动提取方法，其特征在于，步骤4中，按照公式(1)计算变换矩阵M：

M＝C_O^-1C_S (1)。

3.根据权利要求1所述的隧道拱架点云自动提取方法，其特征在于，步骤5中，按照公式(2)构建三维隧道点与二维隧道点之间的映射关系f₁：

P₅＝f₁(P₄) (2)。

4.根据权利要求1所述的隧道拱架点云自动提取方法，其特征在于，步骤6具体包括：

以固定半径r，统计点云P₅的点密度信息，以间隔itv构建点密度曲线或频率分布直方图，根据点密度曲线或频率分布直方图选取n个密度区间；其中，r值介于0.025～0.4米之间，itv值介于5～100之间，n介于1～3之间。