(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210582075.X (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 山东大学 地址 250061 山东省济南市历下区经十路 17923号 (72)发明人 刘健　崔立桩　周立志　罗宏正　 解全一　韩勃　常洪雷　 (74)专利代理 机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 372 21 专利代理师 董雪 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06T 17/20(2006.01) (54)发明名称 基于三维点云自动生成隧道结构有限元模 型的方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于三维点云自动生成 隧道结构有限元模型的方法及系统， 包括： 构建 隧道结构基本三维点云数据模型； 获得隧道走向 平行于笛卡尔坐标系某一坐标轴的隧道点云数 据； 沿隧道中轴线平行方向将隧道 点云数据分割 为等间隔切片， 对每个切片进行向切片中面的降 维投影； 基于所述降维投影获取均布化点云数 据， 将所述均布化点云数据写入隧道结构基本三 维点云数据模型， 生成隧道结构有限元模型； 建 立围岩实体模 型， 并将建立的围岩实体模型与生 成的隧道结构有限元模型进行布尔减运算， 获取 与所述隧道结构有 限元模型形状密切闭合的围 岩模型。 本发明更能准确表达隧道结构的准确 性， 并能及时地反映隧道结构地时序性变化。 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 CN 114861500 A 2022.08.05 CN 114861500 A 1.一种基于三维点云自动生成隧道结构有限元模型的方法， 其特 征在于， 包括： 获取既有隧道结构的点云数据， 构建隧道结构基本三维点云数据模型； 对隧道三维点云数据进行预处理， 获得隧道走向平行于笛卡尔 坐标系某一坐标轴的隧 道点云数据； 沿隧道中轴 线平行方向将隧道点云数据分割为等间隔切片， 对每个切片进行向切片中 面的降维投影； 基于所述降维投影获取均布化点云数据， 将所述均布化点云数据写入隧道结构基本三 维点云数据模型， 生成隧道结构有限元模型； 建立围岩 实体模型， 并将建立的围岩 实体模型与生成的隧道结构有限元模型进行布尔 减运算， 获取与所述隧道结构有限元模型 形状密切闭合的围岩模型。 2.如权利要求1所述的一种基于三维点云自动生成隧道结构有限元模型的方法， 其特 征在于， 还包括： 基于所述隧道结构有限元模型和所述围岩模 型， 通过有限元仿 真实现对隧 道结构的检查评估以及稳定性分析。 3.如权利要求1所述的一种基于三维点云自动生成隧道结构有限元模型的方法， 其特 征在于， 获取既有隧道结构的点云数据， 构建隧道结构基本三维点云数据模型， 具体包括： 使用三维激光雷达对隧道结构进行扫描作业， 获取既有隧道结构的点云数据， 经数据 解算、 拼接后得到隧道结构基本三维点云数据模型， 并为隧道结构三维点云建立局部坐标 系。 4.如权利要求1所述的一种基于三维点云自动生成隧道结构有限元模型的方法， 其特 征在于， 对隧道三维点云数据进行预处理， 获得隧道走向平行于笛卡尔坐标系某一坐标轴 的隧道点云数据， 具体包括： 对隧道底部进行平面拟合， 并将隧底 平面移动到XOY面； 对隧道点云数据降维投影到XOY平面， 提取投影后点云的Xmin和Xmax； 设置隧道点云切片步长， 在设定区间内沿X轴方向对隧道点云进行切片； 根据点云索引提取切片点云， 并获取每份切片点云的Yimin和Yimax， 从而确定每份切片 点云中点 坐标： 所有切片点云中点的索引， 其构成的点云集合即为隧道点云数据的二维水平中线， 对 获得的二维水平中线进行最小二乘法直线拟合， 获取二维水平中线的方向向量， 即得到二 维水平中线与XOZ平面的正切值tanθ； 定义隧道点 云数据的刚度变换矩阵T1， 绕Z轴旋转变换θ使隧道走向沿笛卡尔坐标系X轴 正方向， 沿笛卡尔坐标系X轴正方向平 移‑Xmin使隧道点云数据初始端与YOZ面重合。 5.如权利要求1所述的一种基于三维点云自动生成隧道结构有限元模型的方法， 其特 征在于， 沿 隧道中轴线平行方向将隧道点云数据分割为等间隔切片， 对每个切片进行向切 片中面的降维投影； 具体包括： 设定切片步长为拟生成单元的边长， 每次切片方向沿切片在二维水平中线的切线方 向； 对每个切片进 行向切片中面的降维投影， 即将每个的切片的所有点的X坐标转换为切片 中心的X坐标。 6.如权利要求1所述的一种基于三维点云自动生成隧道结构有限元模型的方法， 其特 征在于， 基于所述降维投影获取均布化 点云数据， 具体包括：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114861500 A 2对切片的降维投影进行圆拟合， 获取拟合圆的圆心坐标及半径R； 以拟合圆的圆心为圆心， 绘制大于拟合圆半径的圆， 并在圆上根据设定的圆心角在圆 周添加关键点； 对切片投影点云建立KD树， 遍历搜索所添加关键点在切片投影点云中的最近邻点， 对 于每一关键点均可在切片投影点云中找到与其对应的最近邻点， 提取所有满足要求的最近 邻点索引与坐标， 即为所求均布化 点云数据， 即后续建立有限元模型中的节点。 7.如权利要求1所述的一种基于三维点云自动生成隧道结构有限元模型的方法， 其特 征在于， 基于所述降维投影获取均布化 点云数据， 具体包括： 对切片的降维投影进行圆拟合， 获取拟合圆的圆心坐标及半径R； 以拟合圆的圆心为圆心， 对切片投影点云建立给定圆心角的最小凸包， 并将所建立的 最小凸包作为二维体素， 所述二维体素满足涵盖所给定圆心角对应的扇形内所有点云数 据； 计算每个二维体素内所有点的重心， 对每个二维体素点云建立KD树， 提取每个二维体 素重心点的最近邻点索引与坐标， 即为所求均布化点云数据， 即后续建立有限元模型中的 节点。 8.一种基于三维点云自动生成隧道结构有限元模型的系统， 其特 征在于， 包括： 点云数据获取模块， 用于获取既有隧道结构的点云数据， 构建隧道结构基本三维点云 数据模型； 点云预处理模块， 用于对隧道三维点云数据进行预处理， 获得隧道走向平行于笛卡尔 坐标系某一 坐标轴的隧道点云数据； 点云切片模块， 用于沿隧道中轴线平行方向将隧道点云数据分割为等间隔切片， 对每 个切片进行向切片中面的降维投影； 有限元模型生成模块， 用于基于所述降维投影获取均布化点云数据， 将所述均布化点 云数据写入隧道结构基本三维点云数据模型， 生成隧道结构有限元模型； 围岩模型生成模块， 用于建立围岩实体模型， 并将建立的围岩实体模型与生成的隧道 结构有限元模型进行布尔减运算， 获取与所述隧道结构有限元模型形状密切闭合的围岩模 型。 9.一种终端设备， 其包括处理器和存储器， 处理器用于实现各指令； 存储器用于存储多 条指令， 其特征在于， 所述指 令适于由处理器加载并执行权利要求 1‑7任一项所述的基于三 维点云自动生成隧道结构有限元模型的方法。 10.一种计算机可读存储介质， 其中存储有多条指令， 其特征在于， 所述指令适于由终 端设备的处理器加载并执行权利要求 1‑7任一项所述的基于三 维点云自动生成隧道结构有 限元模型的方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114861500 A 3