三维激光扫描监测地铁隧道形变关键技术研究

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1、硕士学位论文三维激光扫描监测地铁隧道形变关键技术研究申请人姓名：朱宁宁指导教师：卢小平学位类别：工学硕士专业名称：测绘科学与技术研究方向：遥感理论及应用河南理工大学测绘与国土信息工程学院二○一五年六月中图分类号：P237密级：公开UDC：528单位代码：10460三维激光扫描监测地铁隧道形变关键技术研究KeyTechnologyof3DLaserScanninginSubwayTunnelDeformationMonitoring申请人姓名朱宁宁申请学位工学硕士学科专业测绘科学与技术研究方向遥感理论及应用导师卢小平职称教授提交日期2015年6

2、月5日答辩日期2015年6月6日河南理工大学河南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文：三维激光扫描监测地铁隧道形变关键技术研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。学位论文作者签名:年月日河南理工大学学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有

3、权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行搜索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权。学位论文作者签名：导师签名：年月日年月日致谢时间飞逝，三年的研究生生涯即将结束，值此论文成稿之际，对所有关心和帮助我的老师、同学、朋友和亲人表达我最真诚的感谢，正是在你们的陪伴下，我三年的研究生生涯才显得如此充实和丰富多彩。衷心感谢我的导师卢小平教授！感谢导师三年来对我的悉心指导

4、和培养，使我能够顺利完成硕士论文和研究生学业。导师渊博的理论知识、严谨的治学态度、对专业的高瞻远瞩以及对学生学习和工作上的耐心指导让我终身受益。导师的谆谆教诲是我人生宝贵的财富，在我以后的人生道路上将会深深影响着我、激励着我。再次对导师表示最诚挚的谢意和敬意！感谢师兄胡伟、豆喜朋，师姐宋碧波、李珵、吴丛丛，在我刚进入实验室时给予的无私的指导，让我迅速的进入正确的科研状态；感谢在一起住宿三年的好友杨尚波、余鹏磊、魏祖帅，跟你们在一起探讨科研与生活的经历会让我终身难忘；感谢实验室刘洋洋、庞星晨、张赵兴、孟志豪、梁晓莉、谢秋平、贾宝、毛明楷等同学，

5、有你们的陪伴才让我的三年科研生活充满色彩；感谢矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室的程钢老师、于海洋老师和葛小三老师，感谢你们对我三年来不厌其烦的指导，学生铭记于心；还要感谢王丹、邵改革、孙森震、马建新等师弟师妹，在生活和学习上给我的帮助；感谢河南理工大学2012级硕士研究生的兄弟姐妹，与你们共同学习的经历是我一生美好的回忆。最后，感谢我的父母、家人，你们对我的默默付出不计回报为我顺利完成研究生学业创造了重要条件，你们的鼓励和支持是我不断成长不断进步的动力。感谢河南理工大学培养我的所有老师！摘要地铁隧道施工和运营期间进行的实时监测，可

6、有效保证地铁的安全运营及周边环境的稳定。现有的收敛计、全站仪等形变监测手段仅能获取部分单点数据，难以全面反映隧道整体形变特征。三维激光扫描技术提高了自动化提取信息的程度，与基于单一观测点的监测方法相比，具有表达对象细节信息能力强、受环境影响小等优势。因此，本文利用三维激光扫描技术开展地铁隧道形变监测中的关键技术研究，并在隧道数据采集、点云预处理及监测模型构建等方面进行了探索，研究结果可为地铁隧道工程形变监测及运营维护提供借鉴。为高效管理海量点云数据，针对地铁隧道的分布特征，本文提出以隧道中轴线为基准，按里程分块存储点云的组织管理方法，不仅提高

7、了单点的搜索速度，而且显著提高了隧道内任意里程处横断面的提取效率。针对同一扫描线相邻点间隔随地面三维激光扫描仪（TLS）扫描距离增大导致的点云密度不均问题，推导出严密的点云密度计算模型，然后提出基于扫描线的抽稀算法用于抽除同一扫描线上点间距小于给定阈值的激光点，并建立了抽稀率与阈值的函数拟合模型。针对地铁盾构环片上的大量附属物，提出基于椭圆柱面模型的点云滤波方法，对沿隧道中轴线分割的各区域利用椭圆柱面拟合进行滤噪，实现了地铁隧道内壁噪声点的自动滤除。最后，对经过预处理的隧道点云分别建立了基于断面拟合、规则化格网及数字表面模型（DSM）的形变监

8、测方法。通过不同的监测方法对两期隧道点云进行形变分析，实现地铁隧道各区域空间变化信息的精准表达。关键词：三维激光扫描；隧道形变监测；点云组织管理；点云抽稀和滤波；点