基于地面三维激光扫描的构筑物精细变形监测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于地面三维激光扫描的构筑物精细变形监测方法，包括：利用GPS或全站仪布设人工靶标点，建立靶标点监测网；利用地面三维激光扫描仪采集不同时刻的构筑物表面的点云数据；将靶标点监测网采集的数据和地面三维激光扫描仪采集的数据转换至同一参考坐标系；利用上述同一参考坐标系中的数据对构筑物几何模型进行判断和拟合；根据拟合得到的构筑物的几何模型进行点云数据的分割，将点云数据分割成若干个块，每个块拟合成一个代表点；对比不同时刻所述点云数据拟合得到的代表点的坐标和向量的变化，进行构筑物精细变形分析。本发明专利技术所述方法能够实现对构筑物精细变形的监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及测绘科学
，具体涉及一种基于地面三维激光扫描的构筑物精 细变形监测方法及系统。
技术介绍
各种大型基础设施在国民经济发展中发挥着重要作用，随着经济的飞速发展，新 的大型工程建设项目也在不断出现。但是，隧道塌方、溃坝和桥梁垮塌等灾害的不断发生， 严重危害了人类生命财产安全。因此，对大坝、桥梁和隧道等典型构筑物的变形监测尤其重 要。 变形监测主要包括水准仪、全站仪、GPS、近景摄影测量和三维激光扫描仪等测量 技术手段。全站仪和GPS等技术只能获取离散有限的若干点，不能满足对整个物体表面的 描述；摄影测量方法精度相对低，且无直接高程信息。三维激光扫描仪技术因其高密度、高 精度、实时的获取物体表面的信息（3D坐标、RGB/强度信息），在测绘科学领域一出现便获 得了广泛的兴趣。不同于全站仪/GPS技术只能获取有限的离散点坐标，三维激光扫描仪采 集的点云数据，可以获取整个物体表面的3D信息，实现了"所见即所测"。该特点在变形监 测领域尤其重要，因为监测过程中往往需要摸清的是整个物体表面的变形信息。这为变形 监测研究提供了一种新的有效的理论技术方法。 由于三维激光扫描仪采集数据的离散性，点云与被测物体表面的--对应关系不 能确定，导致不同时刻的点云无法直接进行比对。同时，由于扫描仪硬件本身的发展水平和 数据处理方法的不成熟，原始的点云虽然可以获取物体表面的3D信息，却往往不能直接满 足变形监测的精度要求。因此，有必要提出一种变形监测方法，以解决三维激光扫描仪采集 的点云数据无法进行构筑物精细变形监测的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种基于地面三维激光扫描的构筑物精细变 形监测方法及系统，以解决三维激光扫描仪采集的点云数据无法进行构筑物精细变形监测 的问题。 为解决上述技术问题，本专利技术提供以下技术方案： 第一方面，本专利技术提供一种基于地面三维激光扫描的构筑物精细变形监测方法， 包括： SI.利用GPS或全站仪布设人工靶标点，建立靶标点监测网； S2.利用地面三维激光扫描仪采集不同时刻的构筑物表面的点云数据； S3.将靶标点监测网采集的数据和地面三维激光扫描仪采集的数据转换至同一参 考坐标系； S4.利用上述同一参考坐标系中的数据对构筑物几何模型进行判断和拟合； S5.根据拟合得到的构筑物的几何模型进行点云数据的分割，将点云数据分割成 若干个块，每个块拟合成一个代表点； S6.对比不同时刻所述点云数据拟合得到的代表点的坐标和向量的变化，进行构 筑物精细变形分析。 其中，所述步骤S2包括：布设多个地面三维激光扫描仪扫描站点，根据几何关系 或者特征点将各个扫描站点的点云分成块，每个块内的点云通过最小二乘进行拟合，估计 出块点，并建立不同扫描站点的块点之间的一一对应关系，得到点云数据的匹配对。 其中，所述步骤S3包括： 把块点和人工靶标点同时作为同名点，将人工靶标点采集的数据和不同扫描站点 的点云数据一次性转换至参考坐标系统中，根据七参数转换模型，通过严格的高斯-海尔 摩特模型进行迭代计算转换参数，其中，七参数转换模型为： 其中，j = l，2，...，p ;p代表同名点，包括人工靶标点和所述点云数据的匹配对的 总数；i代表第i个扫描站点或人工靶标点；m代表尺度因子，Y代表参考坐标系统中的坐标 向量；X代表人工革G标点或扫描站点坐标系统中的坐标向量；ΔΧ为平移向量；R为旋转矩 阵，由（ω, Φ, κ )三个旋转角表示，其中七参数分别包括三个旋转参数、三个平移参数和 一个尺度参数。 其中，所述步骤S4包括： 根据点云数据进行二次型拟合，依据行列式方法对构筑物几何模型进行判断和拟 合，二次型表示为： 其中，M是对称系数矩阵；Xk是单个点的坐标向量（k = 1，2. ..，η) ;η代表点的个 数；m是系数向量；α为尺度参数； 根据二次型估计结果，利用点云自动建立构筑物的3D模型，所述构筑物的3D模型 包括椭圆柱体、球体、平面体、圆锥体、椭球体或圆柱体。 其中，所述步骤S5包括： 将不同时刻的扫描数据依据二次型估计算法建立的统一框架模型，针对估计形状 为椭圆柱体、球体、平面体、圆锥体、椭球体或圆柱体的构筑物，将整个构筑物表面分成若干 块 Cri, Ci):? 其中，i = 1，2, . . .，η，η代表点的总个数；ceil代表对该数取整；妁和Θ。是局部 坐标系统中的中心点的极坐标；仍和Θ i是第i个点的极坐标值；Δ θ、Δρ分别代表块的垂 直角和水平角间隔；然后，每个块通过最小二乘拟合成一个代表点象，块中心点的极坐 标表为： 其中u = 1，2, · · ·，m，v = 1，2, · · ·，η 氣和美分别代表块中心点坐标的水平角和 垂直角坐标；4和4分别为起始点水平角和垂直角坐标；c。和r ν分别代表块的行号 和列号；针对估计模型为3D平面的被测物体，根据点的笛卡尔坐标进行分割； 将点云唯一的划分到不同块中，由于每个块的体积很小，每个单独的块近似拟合 成平面，根据块中心点，估计每个块的代表点Xr，构建不同时刻数据间--对应关系。 其中，所述步骤S6包括： 代表点&的标准偏差A可表示为： 其中#和#分别为代表点&在X轴、y轴和ζ轴方向上的方差；通过对不同 时刻的构筑物表面的数据进行坐标对比，分析变化特点和趋势。 第二方面，本专利技术提供一种基于地面三维激光扫描的构筑物精细变形监测系统， 包括： 靶标点监测网建立单元，用于利用GPS或全站仪布设人工靶标点，建立靶标点监 测网； 构筑物表面点云数据采集单元，用于利用地面三维激光扫描仪采集不同时刻的构 筑物表面的点云数据； 坐标系转换单元，用于将靶标点监测网采集的数据和地面三维激光扫描仪采集的 数据转换至同一参考坐标系； 构筑物几何模型拟合单元，用于利用上述同一参考坐标系中的数据对构筑物几何 模型进行判断和拟合； 点云数据分割单元，用于根据拟合得到的构筑物的几何模型进行点云数据的分 害J，将点云数据分割成若干个块，每个块拟合成一个代表点； 构筑物变形分析单元，用于对比不同时刻所述点云数据拟合得到的代表点的坐标 和向量的变化，进行构筑物精细变形分析。 其中，所述构筑物表面点云数据采集单元，还用于布设多个地面三维激光扫描仪 扫描站点，根据几何关系或者特征点将各个扫描站点的点云分成块，每个块内的点云通过 最小二乘进行拟合，估计出块点，并建立不同扫描站点的块点之间的一一对应关系，得到点 云数据的匹配对。 其中，所述坐标系转换单元，具体用于： 把块点和人工靶标点同时作为同名点，将人工靶标点采集的数据和不同扫描站点 的点云数据一次性转换至参考坐标系统中，根据七参数转换模型，通过严格的高斯-海尔 摩特模型进行当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地面三维激光扫描的构筑物精细变形监测方法，其特征在于，包括：S1.利用GPS或全站仪布设人工靶标点，建立靶标点监测网；S2.利用地面三维激光扫描仪采集不同时刻的构筑物表面的点云数据；S3.将靶标点监测网采集的数据和地面三维激光扫描仪采集的数据转换至同一参考坐标系；S4.利用上述同一参考坐标系中的数据对构筑物几何模型进行判断和拟合；S5.根据拟合得到的构筑物的几何模型进行点云数据的分割，将点云数据分割成若干个块，每个块拟合成一个代表点；S6.对比不同时刻所述点云数据拟合得到的代表点的坐标和向量的变化，进行构筑物精细变形分析。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王金，陈艳艳，张志清，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11