本发明涉及隧道变形监测，具体涉及一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法及系统。
背景技术：
1、随着交通事业的高速发展，隧道数量持续增长。隧道在运营过程中，其结构存在，一定程度的水平位移及垂直位移，当位移达到一定程度会发生隧道损毁甚至坍塌。因此，隧道形变监测是对于隧道运营的有力保障。
2、目前对于矿山法隧道运营期的隧道变形监测仍然采用人工测量的方法，但人工测量一是人力成本高，二是无法在轨道交通运营期间对隧道进行及时、全面地监测。故，对隧道运营期进行自动化变形监测十分必要。
3、对于自动化变形监测而言，现有研究采用获取隧道的点云数据，通过对点云数据进行拟合以提取剖面曲线、断面截取从而得到隧道的断面点云，并对断面点云进行判断从而得到隧道的变形量从而探究隧道变形程度，但是其对于矿山法隧道而言存在以下缺陷：
4、1、目前矿山法隧道横断面尺寸变化多且繁杂，相对于采用简单隧道横断面的盾构法而言，其在进行点云数据拟合以及断面截取时难以适用现有的拟合方法确定；
5、2、由于矿山法隧道横断面通常由多弧度曲线所组合而成的，矿山法隧道不同位置所受到的应力是不均匀的，其形变量也不同，从而导致在进行断面分割时难以使用现有断面分割方法对矿山法隧道进行分割。
6、因此，开发一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法及系统，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、基于上述背景技术所提出的问题，本发明的目的在于提供一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法及系统，解决了现有的隧道变形测量方法不适用于矿山法隧道运营期的变形监测的问题。
2、本发明通过下述技术方案实现：
3、本发明第一方面提供了一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，包括如下步骤：
4、步骤s1、在隧道二次衬砌上沿隧道轴向布设多个监测设备，其中，至少存在一个监测设备位于站台层稳定点位，将位于站台层稳定点位的监测设备作为控制点；
5、步骤s2、通过多个监测设备获取隧道点云数据，基于所述控制点对所述隧道点云数据进行拼接并进行空间坐标系转换，生成隧道点云图像；
6、步骤s3、基于矿山法隧道结构提取所述隧道点云图像的中轴线，根据所述中轴线对所述隧道点云数据进行断面截取，得到隧道断面点云图像；
7、步骤s4、对所述隧道断面点云图像进行隧道结构变形分析，得到隧道变形结果。
8、在上述技术方案中，站台层稳定点位是综合隧道接触压力等选取受胁迫最小的位置，由于该位置相对于其他位置的变形概率小、变形程度低，相对于较为稳定，在本方案中选取站台层稳定点位是为了后续进行数据处理时减少隧道变形对于数据准确性的影响。基于矿山法隧道结构的中轴线提取方式，其适用于矿山法所构建的隧道，使得所提取的中轴线更准确，为后续的断面截取提供更为精准的数据。从而克服了目前矿山法隧道横断面尺寸变化多且繁杂，相对于采用简单隧道横断面的盾构法而言，其在进行点云数据拟合以及断面截取时难以适用现有的拟合方法确定的问题。
9、在一种可选的实施例中，在隧道二次衬砌上沿隧道轴向布设多个监测设备包括如下步骤：
10、沿隧道轴向确定第一控制点和第二控制点，在所述第一控制点和所述第二控制点依次布设第一控制监测设备和第二控制监测设备；
11、在所述第一控制监测设备和所述第二控制监测设备之间布设多个区域监测设备。
12、在一种可选的实施例中，基于所述控制点对所述隧道点云数据进行拼接包括如下步骤：
13、步骤s21、从第一控制监控设备获取第一控制数据，从第二控制监控设备获取第二控制数据，从沿隧道轴向的多个区域监测设备依次获取区域监测数据并汇总形成区域监测数据集，并对所述第一控制数据进行处理，生成第一点云拼接数据；
14、步骤s22、从所述区域监测数据集中提取第一个未被处理的区域监测数据初始化生成第二点云拼接数据；
15、步骤s23、将所述第一点云拼接数据和所述第二点云拼接数据进行拼接，生成第三点云拼接数据；
16、步骤s24、若从所述区域监测数据集中存在未被处理的区域监测数据，则将所述第三点云拼接数据作为第一点云拼接数据并重复步骤s22至步骤s23；否则，则执行步骤s25；
17、步骤s25、以所述第一控制监控设备的坐标为目标坐标，采用坐标转换算法将所述第三点云拼接数据转换至目标坐标的坐标系中。
18、在一种可选的实施例中，对所述第一控制数据进行处理包括如下步骤：
19、获取第一控制监控设备与接收设备的设备数据，计算所述设备数据在单位时间内的扫描密度；
20、对所述扫描密度进行空间密度估计，得到估计空间密度；
21、对所述扫描密度进行密度聚类，得到实际点云聚类，将所述第一控制数据中所述实际点云聚类小于所述估计空间密度标记为疑似点云；
22、构建密度阈值对所述疑似点云进行判断，根据判断结果将所述疑似点云分为确认点云和非确认点云，将所述非确认点云从所述第一控制数据中删除。
23、在一种可选的实施例中，单位时间内的扫描密度的计算公式如下：
24、；
25、；
26、上式中，表示第一控制监控设备在n次扫描中的扫描密度，表示在第i次扫描过程中第一控制监控设备的扫描总数，表示在第i次扫描过程中花费的时间，表示第一监控设备的监控面积，表示第一控制监控设备与接收设备之间的夹角，表示单位时间内的扫描密度。
27、在一种可选的实施例中，空间密度估计的计算公式如下：
28、;
29、;
30、;
31、上式中，表示估计空间密度，表示第一控制监控设备与接收设备之间的距离，a表示接收设备的接收准确度,表示第一控制监控设备与接收设备之间的反射率相似性匹配值，表示在(i,j,k)点处点云的反射率，x表示第一控制监控设备与接收设备之间在x轴方向的距离，y表示第一控制监控设备与接收设备之间在y轴方向的距离，z表示第一控制监控设备与接收设备之间在z轴方向的距离。
32、在一种可选的实施例中，基于矿山法隧道结构提取所述隧道点云图像的中轴线包括如下步骤：
33、步骤s31、将所述隧道点云图像沿隧道轴向进行分段处理，得到n段隧道的隧道段点云图像；
34、步骤s32、将所述提取第i段隧道段点云图像的外轮廓并生成外轮廓线，以所述外轮廓线的任意一点为起始点对所述外轮廓线进行曲率计算，得到外轮廓线各点的曲率值；其中，i=1、2、3、…、n；
35、步骤s33、根据外轮廓线各点的曲率值对所述外轮廓线进行分段，得到圆弧段集合；
36、步骤s34、对所述圆弧段集合中的各线段进行曲率匹配，得到k组圆弧段，分别确定k组圆弧段的圆心；
37、步骤s35、采用最小二乘拟合方法将n段隧道中k组圆弧段的圆心进行轴线拟合，得到k条中轴线。
38、在一种可选的实施例中，根据所述中轴线对所述隧道点云数据进行断面截取包括如下步骤：
39、步骤s36、基于k条中轴线确定断面基准线；
40、步骤s37、根据所述断面基准线对所述隧道点云数据进行正交方向的断面截取，得到隧道断面点云图像。
41、本发明第二方面提供了一种应用于矿山法隧道运营期变形监测系统，包括：
42、数据获取模块，所述数据获取模块用于在隧道二次衬砌上沿隧道轴向布设多个监测设备，其中，至少存在一个监测设备位于站台层稳定点位，将位于站台层稳定点位的监测设备作为控制点；
43、点云数据拼接模块，所述点云数据拼接模块用于通过多个监测设备获取隧道点云数据，基于所述控制点对所述隧道点云数据进行拼接并进行空间坐标系转换，生成隧道点云图像；
44、断面截取模块，所述断面截取模块用于基于矿山法隧道结构提取所述隧道点云图像的中轴线，根据所述中轴线对所述隧道点云数据进行断面截取，得到隧道断面点云图像；
45、隧道变形分析模块，所述隧道变形分析模块用于对所述隧道断面点云图像进行隧道结构变形分析，得到隧道变形结果。
46、在一种可选的实施例中，所述断面截取模块包括：
47、隧道分段单元，所述隧道分段单元用于将所述隧道点云图像沿隧道轴向进行分段处理，得到n段隧道的隧道段点云图像；
48、曲率计算单元，所述曲率计算单元用于将所述提取第i段隧道段点云图像的外轮廓并生成外轮廓线，以所述外轮廓线的任意一点为起始点对所述外轮廓线进行曲率计算，得到外轮廓线各点的曲率值；其中，i=1、2、3、…、n；
49、圆弧段分段单元，所述圆弧段分段单元用于根据外轮廓线各点的曲率值对所述外轮廓线进行分段，得到圆弧段集合；
50、曲率匹配单元，所述曲率匹配单元用于对所述圆弧段集合中的各线段进行曲率匹配，得到k组圆弧段，分别确定k组圆弧段的圆心；
51、中轴线拟合单元，所述中轴线拟合单元用于采用最小二乘拟合方法将n段隧道中k组圆弧段的圆心进行轴线拟合，得到k条中轴线。
52、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
53、1、通过计算点云图像的曲率确定矿山法隧道的轮廓结构，克服了现有技术中进行断面截取时将隧道断面假定为圆或者椭圆进行分割从而导致分割不准确的问题，使得矿山法隧道的变形监测更加准确；
54、2、以第一控制监控设备为基础点，逐一沿着隧道轴向对区域监测数据进行拼接，其避免布设于变形区域上的监测设备数据会发生变化会造成点云拟合得到的隧道点云模型与实际隧道差距过大，同时，也避免了由于监测设备遮挡物所导致的数据误差。
1.一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，其特征在于，在隧道二次衬砌上沿隧道轴向布设多个监测设备包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，其特征在于，基于所述控制点对所述隧道点云数据进行拼接包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，其特征在于，对所述第一控制数据进行处理包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，其特征在于，单位时间内的扫描密度的计算公式如下：
6.根据权利要求5所述的一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，其特征在于，空间密度估计的计算公式如下：
7.根据权利要求1所述的一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，其特征在于，基于矿山法隧道结构提取所述隧道点云图像的中轴线包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种应用于矿山法隧道运营期变形监测方法，其特征在于，根据所述中轴线对所述隧道点云数据进行断面截取包括如下步骤：
9.一种应用于矿山法隧道运营期变形监测系统，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的一种应用于矿山法隧道运营期变形监测系统，其特征在于，所述断面截取模块包括：
