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基于点云数据的隧道断面线提取方法

林春峰黄华平张智勇

【摘要】摘要隧道工程通常使用断面线进行限界、超欠挖、变形测量等应

用的分析。介绍一种基于点云数据的隧道断面线提取方法，该方法以经过拼接、

滤波、去噪之后的三维激光点云为数据源，首先对点云进行重组织，以便快速

检索;然后根据隧道中线获得待提取断面线所在平面附近的点云切片;最后对点云

进行处理，得到断面线。

【期刊名称】铁道勘察

【年(卷),期】2015(000)004

【总页数】4

【关键词】关键词点云隧道断面线提取

隧道工程通常使用断面线进行限界、净空、超欠挖、变形测量等应用分析。地

面三维激光扫描作为一种新型数据获取手段，具有高效率、高精度、高密度、

数据量大等特点[1]，在隧道工程中有广泛的应用[2-6]。介绍一种基于点云数据

的隧道断面线提取方法，该方法以经过拼接、滤波、去噪之后[1，7，8]的三维

激光点云为数据源，首先对点云数据进行重组织，然后根据隧道中线获得待提

取断面线所在平面附近的点云切片，然后对点云进行处理，得到断面线。

1点云数据重组织

隧道中任意里程或洞深标(隧道中某点沿隧道中线距离隧道洞口的距离值，本文

中统称里程)处的断面必须与隧道中线严格垂直[9]，隧道中线、里程与断面的关

系如图1所示。

假设隧道中某里程CK处的坐标(x0，y0，z0)，该里程处的法线斜率(kx，

ky，kz)，则该里程处的断面方程为

(1)

其中：

任意一点P(x，y，z)与里程CK处断面的关系有两种：

(1)P点在断面上，则有f(x，y，z)=ax+by+cz+d=0。

(2)P点在断面两侧，则有f(x，y，z)=ax+by+cz+d≠0，且同侧点云的计算值

正负性一致。

结合隧道几何形态呈狭长条状的特点，利用隧道中线里程对隧道点云数据进行

分块重组织。即将点云按照区间{[CK0+i×ΔCK，CK0+(i+1)×ΔCK)|i=0，1，

2，…}进行分块。其中，CK0为隧道入口里程，ΔCK为分块区间长度。

则可以分别计算里程CK0+i×ΔCK和CK0+(i+1)×ΔCK处的断面方程为fi(X，

Y，Z)和fi+1(X，Y，Z)，遍历所有点云数据，取当前点(x，y，z)，根据在断面

同侧点云正负性一致可知：若fi(x，y，z)×fi+1(x，y，z)≤0，则该点位于两个

断面之间，将该点写入名为“i_i+1.xyz”的文件中，直至完毕。

隧道点云数据重组织后，可以建立点云数据与里程的相对位置关系，便于后续

点云检索。

2点云提取断面线

2.1断面处点云截取

由公式(1)知，隧道点云中任意一点(x，y，z)距离里程CK处断面的距离d为

(2)

给定距离阈值d0，根据公式(1)和公式(2)可在隧道点云中获得距离里程CK处

断面dd0的点云切片数据，利用这些点云就可以进行断面线的提取。在实际

的应用中，若采用遍历所有点云的方式来获得断面附近点云切片，计算量大，

效率较低，不适合工程应用。本文将利用重组织的隧道点云来获得断面附近点

云切片。

首先获得待提取断面线的里程值CK，遍历重组织点云文件名，根据方程

计算得到i；

然后取文件：i-1_i.xyz、i_i+1.xyz和i+1_i+2.xyz。若文件不存在，忽略。

最后打开存在的文件，遍历文件中的所有点云数据，按照上述方法计算d，获

得dd0的所有点云，即完成点云切片数据的获取，流程如图2所示。

2.2断面点云处理

为了便于后续计算，提出了一种建立隧道断面局部坐标系的方法对点云切片数

据进行处理。即：隧道断面局部坐标系o-xyz，以点云坐标系O-XYZ中隧道里

程CK点为原点o；O-XYZ坐标系中XOY平面与CK处的断面交线为x轴，

沿线路中线小里程至大里程方向右手方向为x轴正方向；y轴与中线上CK处的

切线重合，沿线路中线小里程至大里程方向为y轴正方向；z轴垂直于xoy平

面，方向与O-XYZ坐标系中Z轴方向一致。且oy轴与OY轴的夹角为α。O-

XYZ坐标系与o-xyz坐标系关系的俯视图如图3所示。

将O-XYZ坐标系点云切片数据中的点(X，Y，Z)按照向量，绕着OZ轴逆时针

旋转α度，转换到o-xyz坐标系中，转换方程如公式(3)所示

(3)

将点云切片数据转换到隧道断面局部坐标系后，点云切片数据在y=0