4. 巷道断面点云分割与轮廓提取方法

巷道断面点云处理的核心任务，是把一整条巷道扫描得到的无序点云，按断面位置切分出来，再把断面内属于巷道壁面的点与管线、设备、堆料、水沟等干扰点分开，最终提取出一条干净、闭合、可用于变形量算的轮廓线。这一节围绕四个环节展开：基于法向与曲率的分割、基于聚类与区域生长的分割、轮廓线提取、边界识别与分割效果评价。

一、断面切分与几何特征准备

先要明确坐标约定。设巷道走向为 X 轴，断面所在平面为 YOZ 平面，Z 轴竖直向上。沿 X 方向以固定步长 Δx 切取点云薄片，例如 Δx 取 0.05 m，薄片厚度取 0.10 m，即每个断面由 [x₀−0.05, x₀+0.05] 区间内的点构成。薄片太薄则点稀疏、法向估计不稳；太厚则断面被“抹平”，拱顶与两帮的曲率特征被平均掉。工程上常取薄片厚度为点间距的 3～5 倍。

切分后对每个点估计法向量与曲率。做法是对点 p 的 k 邻域（k 取 20～30）协方差矩阵做特征分解，最小特征值对应的特征向量即法向 n，曲率可用 λ₀/(λ₀+λ₁+λ₂) 近似（λ₀ 为最小特征值）。巷道壁面点法向大致指向巷道中心，曲率较小且连续；管线点法向沿管壁呈圆柱分布，曲率在管径方向明显偏大；堆料点法向杂乱、曲率偏高。这些差异正是分割的依据。

二、基于法向与曲率的分割

法向分割的常用判据是法向夹角阈值。对相邻点 p、q，若 arccos(n_p·n_q) 超过阈值（如 15°），则认为两点不属于同一光滑面，在它们之间断开。曲率分割则设定曲率上限，例如把曲率大于 0.08 的点标为“高曲率候选”，单独成簇。实际做法通常是先按曲率剔除高曲率点，再对剩余点按法向一致性做区域合并，这样能避免管线、棱角点污染壁面区域。

三、聚类与区域生长

欧氏聚类按空间距离把点连成簇：设定邻域半径 r（如 0.08 m）与最小簇点数（如 50），距离小于 r 的点归为一簇。它实现简单，但对密度不均敏感，薄片边缘易产生碎簇。区域生长则从种子点出发，按“法向夹角 + 点到拟合平面距离”双重条件扩张：距离阈值取 0.03 m，法向阈值取 15°，满足条件的邻点入队，直到队列为空。区域生长对壁面这类连续光滑面效果好，能把拱顶、两帮各自长成完整区域，而管线因法向突变被自然挡住。

实践中常把两者串联：先欧氏聚类粗分，去掉点数过少的簇（多为浮尘、水雾噪点），再对每个大簇内部做区域生长细分，最后按簇的平均法向与空间位置给区域打标签——法向大致水平且位于断面中部的标为“两帮”，法向朝下且位于顶部的标为“拱顶”，法向朝上且位于底部的标为“底板”。

四、轮廓线提取

分割得到壁面点后，需要把它们变成一条有序、闭合的轮廓线。常用做法是：在 YOZ 平面内以巷道中心为极点，按极角把壁面点分箱（如每 2° 一箱），每箱取点到中心距离的中位数作为该方向的轮廓半径，再按极角顺序连成折线。中位数比均值抗噪，能抑制残留的少量干扰点。对拱顶段也可改用二次曲线或圆弧分段拟合，两帮用直线拟合，底板用水平线，最后在拐角处求交闭合。

提取时要注意断面并非严格垂直巷道走向，若扫描时断面与走向有夹角，需先把薄片点投影到垂直于走向的平面上再计算极角，否则轮廓会被拉长。轮廓点还应做一次滑动平均或样条平滑，平滑窗口取 5～7 个点，避免把真实变形也抹掉。

五、边界识别与效果评价

边界识别关注两类边界：一是巷道壁面与干扰物的交界，二是壁面自身的棱角（如两帮与底板交线、拱基线）。前者可通过区域标签的邻接关系找出一簇壁面点与一簇非壁面点的分界带；后者可通过法向突变检测，即沿轮廓线计算相邻轮廓段的法向夹角，夹角峰值处即为棱角位置。识别出的棱角点可用于校核轮廓拟合的分段位置。

分割效果评价建议用三个可量化指标：完整率（被正确标为壁面的点数占壁面总点数的比例，示例目标 ≥ 95%）、误分率（混入壁面的干扰点数占壁面点数的比例，示例目标 ≤ 3%）、轮廓偏差（拟合轮廓到壁面点的平均距离，示例目标 ≤ 0.02 m）。评价时应人工抽取 2～3 个断面做目视核对，重点看管线根部、水沟边缘、堆料遮挡处是否出现壁面缺失或误并。

把上述环节串起来，一个可复用的处理参数组合是：薄片厚度 0.10 m、k 邻域 25、法向阈值 15°、曲率上限 0.08、欧氏聚类半径 0.08 m、最小簇点数 50、区域生长距离阈值 0.03 m。这些数值属于示例性起点，实际作业应结合扫描仪型号、点间距与巷道表面粗糙度做小范围试算后再定稿，并以完整率、误分率、轮廓偏差三项指标确认分割是否达到可用状态。