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原文传递公路隧道衬砌钢筋点云三维特征及智能识别算法研究

论文题名：	公路隧道衬砌钢筋点云三维特征及智能识别算法研究
关键词：	三维点云;特征识别;距离提取;公路隧道;衬砌钢筋
摘要：	我国近年来公路隧道建设规模及速度迅猛发展，近10年来隧道数量年增速约为10％。隧道二衬是隧道安全的最后一道防线，其中钢筋的施工质量直接决定了二衬的防护性能,规范二衬钢筋施工质量既可提升隧道的安全性能，又能科学把握隧道的安全状态，提高隧道后期运维能力。《公路隧道施工技术规范》(JTGT3660-2020)及《公路工程质量检验评定标准》(JTGF801-2017)第一册土建工程都明确提出了衬砌钢筋间距误差要求，常见的钢筋检测手段包括地质雷达法、电磁感应等方法常用在施工完成后，施工过程中检测基本依赖人工抽检，具有局限性，对钢筋施工过程的质量管控不足。因此，亟需一种范围广、精度高、适应力强的方法以达成获取钢筋数据信息、高质量提取钢筋间距的目的。　　本文提出将三维激光扫描技术应用于二衬钢筋施工质量检测，以实现高效、精确地实现二衬钢筋施工过程的质量检测。本文通过系统的室内模型试验，分析了公路隧道二衬施工阶段的钢筋网多维度点云特征，提出了一种公路隧道施工期二衬钢筋的定向提取方法，一种不同直径二衬钢筋网纵横筋定向分离方法以及针对不同直径钢筋网的最近邻均值距离提取算法。本文开展的工作和主要结论如下: 　　(1)引入三维激光点云技术，开展公路隧道二衬钢筋施工质量检测模型试验研究，包括钢筋三维点云模型获取、数据处理和质量参数分析，得到钢筋网多维度点云特征。设计并试制了隧道二衬钢筋多功能模型试验装置，设计涵盖钢筋直径、间距等参数的共24种试验工况，从整体特征、局部特征两方面分析了隧道二衬钢筋网点云的空间形态特征及数量特征，以及多种钢筋绑扎工况的空间形态及采样密度变化分析其对钢筋形态、密度及连续性的影响。两层钢筋网各自独立且第一层钢筋网连续性较好;第一层钢筋数据为半圆柱面、线性较强，第二层钢筋数据为V形柱面、线性较弱;纵筋、分布筋及面状点云的邻域密度不同，面状点云最大，纵筋次之，分布筋最小。　　(2)研究了隧道施工期二衬钢筋网的点云特征识别和算法实验，分析了欧式聚类、DBSCAN密度聚类算法及本文针对钢筋形态特征提出的谱分析聚类提取算法，开展了算法实验获取三种算法的钢筋识别最佳参数及用于隧道二衬钢筋网识别的优缺点。在此基础上基于隧道钢筋网识别的难点，对上述算法对三种算法进行优化，建立了一种定向隧道二衬钢筋网“全局点云遍历-局部特征提取”的新型公路隧道施工期二衬钢筋提取方法，最后验证了方法的可行性和优越性。该优化算法可实现第一层钢筋100％提取，第二层钢筋提取质量较三种聚类识别算法精度分别提高186％、186％及22.4％,钢筋总体提取质量较三者分别提高了31％、31％及21％、。　　(3)研究了钢筋间距提取的理论方法并通过间距提取算法实验验证。基于谱分析聚类算法特征提出一种不同直径二衬钢筋网纵横筋定向分离方法分离钢筋网钢筋，并结合点云数据进行分析得出该算法分离钢筋准确率为95％。基于钢筋点云的数据特征，分别从钢筋点云数据整体、拟合特征线两方面开展研究，分析了多种钢筋间距识别提取算法，并结合点云数据特征对相关算法进行改进，提出了一种针对不同直径组合钢筋网的最近邻均值算法，最后通过算法实验对比了多种间距智能提取算法。该算法纵筋间距提取准确率99％,分布筋间距提取准确率97％,改进后纵筋提取精度提高约6倍且满足实际应用要求。　　(4)将本文方法应用于隧道施工过程中的钢筋质量检测，利用三维激光雷达在公路隧道施工现场对衬砌钢筋进行了实际检测，基于本文算法研发了公路隧道施工信息动态管理及风险预警系统局部模块，验证了隧道衬砌钢筋点云模型提取方法的可行性和钢筋网间距参数自动化识别方法的有效性。精度符合衬砌钢筋间距误差要求，检测效率比人工检测大幅度提高，可满足隧道的衬砌钢筋施工质量的数据存档及实时查验需求。
作者：	周立志
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	刘健
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023