基于地面三維激光掃描的構筑物精細變形監測方法及系統技術方案

本發明專利技術提供了一種基于地面三維激光掃描的構筑物精細變形監測方法，包括：利用GPS或全站儀布設人工靶標點，建立靶標點監測網；利用地面三維激光掃描儀采集不同時刻的構筑物表面的點云數據；將靶標點監測網采集的數據和地面三維激光掃描儀采集的數據轉換至同一參考坐標系；利用上述同一參考坐標系中的數據對構筑物幾何模型進行判斷和擬合；根據擬合得到的構筑物的幾何模型進行點云數據的分割，將點云數據分割成若干個塊，每個塊擬合成一個代表點；對比不同時刻所述點云數據擬合得到的代表點的坐標和向量的變化，進行構筑物精細變形分析。本發明專利技術所述方法能夠實現對構筑物精細變形的監測。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及測繪科學
，具體涉及一種基于地面三維激光掃描的構筑物精 細變形監測方法及系統。
技術介紹
各種大型基礎設施在國民經濟發展中發揮著重要作用，隨著經濟的飛速發展，新 的大型工程建設項目也在不斷出現。但是，隧道塌方、潰壩和橋梁垮塌等災害的不斷發生， 嚴重危害了人類生命財產安全。因此，對大壩、橋梁和隧道等典型構筑物的變形監測尤其重 要。 變形監測主要包括水準儀、全站儀、GPS、近景攝影測量和三維激光掃描儀等測量 技術手段。全站儀和GPS等技術只能獲取離散有限的若干點，不能滿足對整個物體表面的 描述；攝影測量方法精度相對低，且無直接高程信息。三維激光掃描儀技術因其高密度、高 精度、實時的獲取物體表面的信息（3D坐標、RGB/強度信息），在測繪科學領域一出現便獲 得了廣泛的興趣。不同于全站儀/GPS技術只能獲取有限的離散點坐標，三維激光掃描儀采 集的點云數據，可以獲取整個物體表面的3D信息，實現了"所見即所測"。該特點在變形監 測領域尤其重要，因為監測過程中往往需要摸清的是整個物體表面的變形信息。這為變形 監測研究提供了一種新的有效的理論技術方法。 由于三維激光掃描儀采集數據的離散性，點云與被測物體表面的--對應關系不 能確定，導致不同時刻的點云無法直接進行比對。同時，由于掃描儀硬件本身的發展水平和 數據處理方法的不成熟，原始的點云雖然可以獲取物體表面的3D信息，卻往往不能直接滿 足變形監測的精度要求。因此，有必要提出一種變形監測方法，以解決三維激光掃描儀采集 的點云數據無法進行構筑物精細變形監測的問題。
技術實現思路
針對現有技術中的缺陷，本專利技術提供一種基于地面三維激光掃描的構筑物精細變 形監測方法及系統，以解決三維激光掃描儀采集的點云數據無法進行構筑物精細變形監測 的問題。 為解決上述技術問題，本專利技術提供以下技術方案： 第一方面，本專利技術提供一種基于地面三維激光掃描的構筑物精細變形監測方法， 包括： SI.利用GPS或全站儀布設人工靶標點，建立靶標點監測網； S2.利用地面三維激光掃描儀采集不同時刻的構筑物表面的點云數據； S3.將靶標點監測網采集的數據和地面三維激光掃描儀采集的數據轉換至同一參 考坐標系； S4.利用上述同一參考坐標系中的數據對構筑物幾何模型進行判斷和擬合； S5.根據擬合得到的構筑物的幾何模型進行點云數據的分割，將點云數據分割成 若干個塊，每個塊擬合成一個代表點； S6.對比不同時刻所述點云數據擬合得到的代表點的坐標和向量的變化，進行構 筑物精細變形分析。 其中，所述步驟S2包括：布設多個地面三維激光掃描儀掃描站點，根據幾何關系 或者特征點將各個掃描站點的點云分成塊，每個塊內的點云通過最小二乘進行擬合，估計 出塊點，并建立不同掃描站點的塊點之間的一一對應關系，得到點云數據的匹配對。 其中，所述步驟S3包括： 把塊點和人工靶標點同時作為同名點，將人工靶標點采集的數據和不同掃描站點 的點云數據一次性轉換至參考坐標系統中，根據七參數轉換模型，通過嚴格的高斯-海爾 摩特模型進行迭代計算轉換參數，其中，七參數轉換模型為： 其中，j = l，2，...，p ;p代表同名點，包括人工靶標點和所述點云數據的匹配對的 總數；i代表第i個掃描站點或人工靶標點；m代表尺度因子，Y代表參考坐標系統中的坐標 向量；X代表人工革G標點或掃描站點坐標系統中的坐標向量；ΔΧ為平移向量；R為旋轉矩 陣，由（ω, Φ, κ )三個旋轉角表示，其中七參數分別包括三個旋轉參數、三個平移參數和 一個尺度參數。 其中，所述步驟S4包括： 根據點云數據進行二次型擬合，依據行列式方法對構筑物幾何模型進行判斷和擬 合，二次型表示為： 其中，M是對稱系數矩陣；Xk是單個點的坐標向量（k = 1，2. ..，η) ;η代表點的個 數；m是系數向量；α為尺度參數； 根據二次型估計結果，利用點云自動建立構筑物的3D模型，所述構筑物的3D模型 包括橢圓柱體、球體、平面體、圓錐體、橢球體或圓柱體。 其中，所述步驟S5包括： 將不同時刻的掃描數據依據二次型估計算法建立的統一框架模型，針對估計形狀 為橢圓柱體、球體、平面體、圓錐體、橢球體或圓柱體的構筑物，將整個構筑物表面分成若干 塊 Cri, Ci):? 其中，i = 1，2, . . .，η，η代表點的總個數；ceil代表對該數取整；妁和Θ。是局部 坐標系統中的中心點的極坐標；仍和Θ i是第i個點的極坐標值；Δ θ、Δρ分別代表塊的垂 直角和水平角間隔；然后，每個塊通過最小二乘擬合成一個代表點象，塊中心點的極坐 標表為： 其中u = 1，2, · · ·，m，v = 1，2, · · ·，η 氣和美分別代表塊中心點坐標的水平角和 垂直角坐標；4和4分別為起始點水平角和垂直角坐標；c。和r ν分別代表塊的行號 和列號；針對估計模型為3D平面的被測物體，根據點的笛卡爾坐標進行分割； 將點云唯一的劃分到不同塊中，由于每個塊的體積很小，每個單獨的塊近似擬合 成平面，根據塊中心點，估計每個塊的代表點Xr，構建不同時刻數據間--對應關系。 其中，所述步驟S6包括： 代表點&的標準偏差A可表示為： 其中#和#分別為代表點&在X軸、y軸和ζ軸方向上的方差；通過對不同 時刻的構筑物表面的數據進行坐標對比，分析變化特點和趨勢。 第二方面，本專利技術提供一種基于地面三維激光掃描的構筑物精細變形監測系統， 包括： 靶標點監測網建立單元，用于利用GPS或全站儀布設人工靶標點，建立靶標點監 測網； 構筑物表面點云數據采集單元，用于利用地面三維激光掃描儀采集不同時刻的構 筑物表面的點云數據； 坐標系轉換單元，用于將靶標點監測網采集的數據和地面三維激光掃描儀采集的 數據轉換至同一參考坐標系； 構筑物幾何模型擬合單元，用于利用上述同一參考坐標系中的數據對構筑物幾何 模型進行判斷和擬合； 點云數據分割單元，用于根據擬合得到的構筑物的幾何模型進行點云數據的分 害J，將點云數據分割成若干個塊，每個塊擬合成一個代表點； 構筑物變形分析單元，用于對比不同時刻所述點云數據擬合得到的代表點的坐標 和向量的變化，進行構筑物精細變形分析。 其中，所述構筑物表面點云數據采集單元，還用于布設多個地面三維激光掃描儀 掃描站點，根據幾何關系或者特征點將各個掃描站點的點云分成塊，每個塊內的點云通過 最小二乘進行擬合，估計出塊點，并建立不同掃描站點的塊點之間的一一對應關系，得到點 云數據的匹配對。 其中，所述坐標系轉換單元，具體用于： 把塊點和人工靶標點同時作為同名點，將人工靶標點采集的數據和不同掃描站點 的點云數據一次性轉換至參考坐標系統中，根據七參數轉換模型，通過嚴格的高斯-海爾 摩特模型進行當前第1頁1 2 3 4 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于地面三維激光掃描的構筑物精細變形監測方法，其特征在于，包括：S1.利用GPS或全站儀布設人工靶標點，建立靶標點監測網；S2.利用地面三維激光掃描儀采集不同時刻的構筑物表面的點云數據；S3.將靶標點監測網采集的數據和地面三維激光掃描儀采集的數據轉換至同一參考坐標系；S4.利用上述同一參考坐標系中的數據對構筑物幾何模型進行判斷和擬合；S5.根據擬合得到的構筑物的幾何模型進行點云數據的分割，將點云數據分割成若干個塊，每個塊擬合成一個代表點；S6.對比不同時刻所述點云數據擬合得到的代表點的坐標和向量的變化，進行構筑物精細變形分析。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王金，陳艷艷，張志清，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京;11