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凭借其高效率、高精度的优点，地面三维激光扫描已成为地铁隧道施工建设、结构分析、安全检查的重要技术手段。地面三维激光扫描仪采用非接触的方式获取地铁隧道点云的几何数据与强度数据，地铁隧道渗漏水及衬砌结构裂损作为最常见也是最严重的隧道病害会使隧道表面特性发生变化，使其对特定激光波长的反射率不同，从而体现在三维激光扫描的激光强度值中。但是地面三维激光扫描系统的激光强度数据受到距离效应与入射角效应的影响，需要对激光强度数据进行改正，才能从中提取正确的目标表面特性。在激光强度改正的基础上，结合点云几何信息，生成的隧道内表面的强度图像，可实现隧道渗漏水与衬砌裂损的隧道病害区域识别，为隧道病害检测提供新方法。本文研究主要是围绕地面三维激光扫描系统激光强度数据的改正方法与工程应用进行的，完成的工作和研究成果主要有以下方面。
(1)地面三维激光扫描系统强度数据改正方法。对于地面三维激光扫描仪采集的隧道点云数据，激光强度中包含着隧道表面的特性信息，可用于隧道病害区域的提取。但激光强度数据受到距离效应与入射角效应的影响，需要改正后才能从中提取目标表面特性。距离效应主要取决于系统特性，入射角效应则主要决定于目标表面特性，根据二者各自的产生来源及理论背景，本文提出了一种分段多项式改正模型对地面三维激光扫描系统强度数据进行改正，并将模型应用于隧道激光扫描点云强度的改正中，消除了距离效应与入射角效应的影响。
(2)基于激光强度值的隧道图像特征识别方法。利用移动扫描系统采集隧道点云数据，在强度改正的基础上将隧道圆柱形空间三维结构以投影的方式展开生成强度图像。但隧道底部灰尘沉积导致强度图像灰度不均，且地铁隧道中存在电线、消防管道等附属特征物，都对隧道强度图像中病害区域的提取产生影响。针对隧道图像灰度分布不均匀的情况，采用多项式函数拟合此灰度分布的方法确定灰度变换函数，对图像逐像素灰度拉伸，获得了更利于处理的隧道图像。研究了一种基于隧道表面展开图像的隧道特征物检测方法，为隧道中常见特征物，如电线、消防水管、接缝、螺栓孔与注浆孔等制定识别规则，结合边缘检测、位置信息以及形状信息实现隧道特征物的识别，并进行识别精度评价。
(3)基于特征物剔除的地铁隧道病害检测方法。地铁隧道图像特征物识别完成后，对隧道病害识别产生干扰的管线、环缝、注浆孔与螺栓孔等特征物已从图像上剔除，在此基础上可进行基于灰度分割的隧道病害识别。但是隧道特征物剔除过程中也剔除了部分渗漏水区域，对渗漏水区域的面积计算统计产生了影响。本文设计了一种形态学运算单元对渗漏水区域进行形态学修复，削减特征物剔除引起的渗漏水面积偏差，得到更精确的渗漏水识别结果，并对识别精度进行评价。根据图像分辨率计算了渗漏水的实际面积，根据规范对渗漏水面积进行统计分析，用于地铁隧道病害的预警。由于隧道图像分辨率无法满足衬砌裂损整体识别的精度要求，只能对宽度较大的裂损区域进行基于局部图像的识别。本文采用结合灰度分割与边缘检测的方法实现了基于局部图像的衬砌裂损识别，并介绍了裂损区域长度与宽度的计算方法。
最后，对本文的研究工作进行了总结，并对进一步工作的方向进行了简要的讨论。
(1)地面三维激光扫描系统强度数据改正方法。对于地面三维激光扫描仪采集的隧道点云数据，激光强度中包含着隧道表面的特性信息，可用于隧道病害区域的提取。但激光强度数据受到距离效应与入射角效应的影响，需要改正后才能从中提取目标表面特性。距离效应主要取决于系统特性，入射角效应则主要决定于目标表面特性，根据二者各自的产生来源及理论背景，本文提出了一种分段多项式改正模型对地面三维激光扫描系统强度数据进行改正，并将模型应用于隧道激光扫描点云强度的改正中，消除了距离效应与入射角效应的影响。
(2)基于激光强度值的隧道图像特征识别方法。利用移动扫描系统采集隧道点云数据，在强度改正的基础上将隧道圆柱形空间三维结构以投影的方式展开生成强度图像。但隧道底部灰尘沉积导致强度图像灰度不均，且地铁隧道中存在电线、消防管道等附属特征物，都对隧道强度图像中病害区域的提取产生影响。针对隧道图像灰度分布不均匀的情况，采用多项式函数拟合此灰度分布的方法确定灰度变换函数，对图像逐像素灰度拉伸，获得了更利于处理的隧道图像。研究了一种基于隧道表面展开图像的隧道特征物检测方法，为隧道中常见特征物，如电线、消防水管、接缝、螺栓孔与注浆孔等制定识别规则，结合边缘检测、位置信息以及形状信息实现隧道特征物的识别，并进行识别精度评价。
(3)基于特征物剔除的地铁隧道病害检测方法。地铁隧道图像特征物识别完成后，对隧道病害识别产生干扰的管线、环缝、注浆孔与螺栓孔等特征物已从图像上剔除，在此基础上可进行基于灰度分割的隧道病害识别。但是隧道特征物剔除过程中也剔除了部分渗漏水区域，对渗漏水区域的面积计算统计产生了影响。本文设计了一种形态学运算单元对渗漏水区域进行形态学修复，削减特征物剔除引起的渗漏水面积偏差，得到更精确的渗漏水识别结果，并对识别精度进行评价。根据图像分辨率计算了渗漏水的实际面积，根据规范对渗漏水面积进行统计分析，用于地铁隧道病害的预警。由于隧道图像分辨率无法满足衬砌裂损整体识别的精度要求，只能对宽度较大的裂损区域进行基于局部图像的识别。本文采用结合灰度分割与边缘检测的方法实现了基于局部图像的衬砌裂损识别，并介绍了裂损区域长度与宽度的计算方法。
最后，对本文的研究工作进行了总结，并对进一步工作的方向进行了简要的讨论。