硕士学位论文 基于三维激光点云的隧道开挖面结构识别 技术 Target Recognition Technology for Tunnel Excavated Surface Structure Based on 3D LiDAR Point Cloud 学科专业 控制科学与工程 学科方向 控制科学与工程 作者姓名 174611081 指导教师 2020年4月
硕士学位论文 基于三维激光点云的隧道开挖面结构识别 技术 Target Recognition Technology for Tunnel Excavated Surface Structure Based on 3D LiDAR Point Cloud 学科专业 控制科学与工程 学科方向 控制科学与工程 作者姓名 174611081 指导教师 2020 年 4 月
中图分类号TP3914 学校代码10533 UDC 004.8 学位类别学术学位 硕士学位论文 基于三维激光点云的隧道开挖面结构识别 技术 Target Recognition Technology for Tunnel Excavated Surface Structure Based on 3D LiDAR Point Cloud 作者姓名：174611081 学科专业：控制科学与工程 学科方向：控制科学与工程 研究方向：模式识别与智能系统 二级培养单位：自动化学院 指导教师： 论文答辩日期 答辩委员会主席 中南大学 2020年4月
中图分类号 TP391.4 学校代码 10533 UDC 004.8 学位类别 学术学位 硕士学位论文 基于三维激光点云的隧道开挖面结构识别 技术 Target Recognition Technology for Tunnel Excavated Surface Structure Based on 3D LiDAR Point Cloud 作 者 姓 名 ： 174611081 学 科 专 业 ： 控制科学与工程 学 科 方 向 ： 控制科学与工程 研 究 方 向 ： 模式识别与智能系统 二级培养单位： 自动化学院 指 导 教 师 ： 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 2020 年 4 月
学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版：本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名： 导师签名」 日期：年月日 日期：年月日
学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名： 导师签名 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
基于三维激光点云的隧道开挖面结构识别技术 摘要：目前隧道初次喷浆主要为人工操控喷浆机实现，对人工需求 高，劳动强度大，工作环境恶劣。工程机械智能化是工业机器人未来 发展的重要方向，而目前公开发表的关于隧道自动喷浆机的相关研究 较少。环境感知系统是实现隧道喷浆自动化的必要环节。本文结合隧 道施工的特点与实际情况，提出一个完整的基于三维激光点云的适用 于任意轮廓隧道（非标隧道）开挖面的结构检测系统，包含传感器硬件 系统设计、与喷浆机的结合方式、数据集参数框架以及实验数据集 TES的实地采集与扩增，并研究系统中的四个重点问题： (1)对于隧道轴向提取问题，提出一种可用于带有掌子面的任意 轮廓隧道的轴向提取方法，以能使栅格投影密度方差指标(PDV)最小 的方向作为最优的隧道轴向，并通过变尺度的网格搜索法快速找到最 优解。在TES数据集上的测试显示所提方法提取轴向误差小于1°， 与RANSAC方法的比较实验也证明了所提方法的有效性。 (2)对于开挖面区域分割问题，提出采用机器学习方法，以体素 网格作为点云团块，根据点云3D特征及隧道结构特征分割五类开挖 面点云：通过交叉验证准确率比较多种分类器的表现，选择最优的 xgboost并进行特征筛选及参数调优从而达到882%的准确率：然后 采用欧式聚类及隧道切片分析平整地切割出待喷涂面。 (3)对于钢拱区域的精确检测问题，提出一种基于区域生长原理 的定向边缘生长(DEG)方法来检测待喷涂面上的多个钢拱，根据隧道 结构给出种子点各项生长条件。通过定性和定量分析验证所提方法准 确率达到92.8%，比其他潜在可行方法更有效且有较好的抗噪能力。 (4)为获取喷浆路径规划所需的超欠挖分布，基于已知的轴线、 待喷涂面与钢拱，提出一种用于装有支护的任意轮廓隧道的超欠挖检 测方法，对既有的用于圆形隧道的深度图像方法做出各个环节的改 进，包括隧道轮廓提取、隧道展平、点云插值、拱间面分割等。实验 分析了所提算法在带钢拱的非标隧道中的检测精度与用时达到与既 有方法在标准隧道轮廓中相当的应用水平。 总之，实验证明本文提出的基于三维激光点云的隧道开挖面结构 识别技术能够自动地提取用于喷涂路径规划的各类结构信息，精度和
I 基于三维激光点云的隧道开挖面结构识别技术 摘 要：目前隧道初次喷浆主要为人工操控喷浆机实现，对人工需求 高，劳动强度大，工作环境恶劣。工程机械智能化是工业机器人未来 发展的重要方向，而目前公开发表的关于隧道自动喷浆机的相关研究 较少。环境感知系统是实现隧道喷浆自动化的必要环节。本文结合隧 道施工的特点与实际情况，提出一个完整的基于三维激光点云的适用 于任意轮廓隧道(非标隧道)开挖面的结构检测系统，包含传感器硬件 系统设计、与喷浆机的结合方式、数据集参数框架以及实验数据集 TES 的实地采集与扩增，并研究系统中的四个重点问题： (1) 对于隧道轴向提取问题，提出一种可用于带有掌子面的任意 轮廓隧道的轴向提取方法，以能使栅格投影密度方差指标(PDV)最小 的方向作为最优的隧道轴向，并通过变尺度的网格搜索法快速找到最 优解。在 TES 数据集上的测试显示所提方法提取轴向误差小于 1°， 与 RANSAC 方法的比较实验也证明了所提方法的有效性。 (2) 对于开挖面区域分割问题，提出采用机器学习方法，以体素 网格作为点云团块，根据点云 3D 特征及隧道结构特征分割五类开挖 面点云；通过交叉验证准确率比较多种分类器的表现，选择最优的 xgboost 并进行特征筛选及参数调优从而达到 88.2%的准确率；然后 采用欧式聚类及隧道切片分析平整地切割出待喷涂面。 (3) 对于钢拱区域的精确检测问题，提出一种基于区域生长原理 的定向边缘生长(DEG)方法来检测待喷涂面上的多个钢拱，根据隧道 结构给出种子点各项生长条件。通过定性和定量分析验证所提方法准 确率达到 92.8%，比其他潜在可行方法更有效且有较好的抗噪能力。 (4) 为获取喷浆路径规划所需的超欠挖分布，基于已知的轴线、 待喷涂面与钢拱，提出一种用于装有支护的任意轮廓隧道的超欠挖检 测方法，对既有的用于圆形隧道的深度图像方法做出各个环节的改 进，包括隧道轮廓提取、隧道展平、点云插值、拱间面分割等。实验 分析了所提算法在带钢拱的非标隧道中的检测精度与用时达到与既 有方法在标准隧道轮廓中相当的应用水平。 总之，实验证明本文提出的基于三维激光点云的隧道开挖面结构 识别技术能够自动地提取用于喷涂路径规划的各类结构信息，精度和
识别速度上也能基本能符合实际工况的需求。本文的研究工作具有用 于隧道全自动喷浆的可行性，填补了相关领域的研究空白，对推动全 自动隧道喷浆机产业落地也有一定的工程应用价值。 图62幅，表22个，参考文献89篇 关键词：计算机视觉：三维点云；激光雷达；隧道喷浆：机器学习 分类号：TP391.4
II 识别速度上也能基本能符合实际工况的需求。本文的研究工作具有用 于隧道全自动喷浆的可行性，填补了相关领域的研究空白，对推动全 自动隧道喷浆机产业落地也有一定的工程应用价值。 图 62 幅，表 22 个，参考文献 89 篇 关键词：计算机视觉；三维点云；激光雷达；隧道喷浆；机器学习 分类号：TP391.4