CN105157590A - 一种基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，包括测量数据采集以及预处理模块，数据分析模块和智能预测模块，所述数据采集以及预处理模块所采集的建构物数据在数据分析模块中进行分析处理，智能预测模块结合数据分析结果以及所述数据采集以及预处理模块所采集的数据综合分析进而监测和评估建构物。本发明所提供的基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，通过三维激光扫描技术采集数据，完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据，可以建立更高精度和更加逼真的三维模型，大大降低采集工序的时间和成本，操作性强，应用价值大，可广泛用于桥梁、房屋、地铁、煤矿等建构物的检测和评估，应用范围广。
Description
技术领域
本发明属于工程结构健康监测与评估领域，特别涉及一种基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统。
背景技术
地面三维激光扫描技术(TerrestrialLaserScanning，TLS)是20世纪90年代发展起来的一种快速获取空间三维信息的新技术手段，使得空间数据的获取从传统的单点数据采集向连续的、密集型自动数据获取技术转变，它采用非接触式高速激光测量方式，完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据，为建立高逼真、高精度三维模型提供了一种全新的技术手段。传统的检测手段主要有全站仪、GPSRTK技术,他们容易受到天气、交通等很多因素的影响，限制较多。
传统的把空间建构物实际模型还原成3D模型的的技术诸如CATIA，Pro/E等CAD、CAE软件虽然可以对检测获取的点云逆向建模，但是需要对特征点和特征线进行人工提取来生成模型，耗费大量的人力和时间；因此，我们需要一个自动化的模型重建技术，从而能够及时的构建空间建构物的实际模型以及预测模型，来避免各种安全隐患。
在工程领域中，有限元分析越来越多地用于仿真模拟，来求解真实的工程问题。将三维激光扫描技术和有限元分析相融合，集数据采集、软件分析以及预测评估于一体的全自动高智能三维监测系统。
发明内容
为克服上述现有技术的缺陷与不足，本发明提供一种基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统。
本发明的技术方案是：
一种基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，包括测量数据采集以及预处理模块，数据分析模块和智能预测模块，所述数据采集以及预处理模块所采集的建构物数据在数据分析模块中进行分析处理，所述智能预测模块结合数据分析结果以及所述数据采集以及预处理模块所采集的数据综合分析进而监测和评估建构物。
优选的，所述的测量数据采集以及预处理模块包含多传感器测量子模块、控制和数据采集子模块与数据预处理子模块；多传感器测量子模块与控制和数据采集子模块测量得到工程结构各区域点云数据，数据预处理子模块对点云数据进行坐标纠正，对数据进行滤波，减少数据的噪声点，并把仪器坐标系下的点云转化到当地或者全球坐标系统下，从而完成点云数据的预处理。
进一步优选的，所述多传感器测量子模块包括三维激光扫描仪。
进一步优选的，所述控制和数据采集子模块中以控制台为中心，控制台控制设备开启，关闭以及检测。
进一步优选的，所述数据分析模块包含三维模型重建子模块和有限元模型子模块；三维模型重建子模块通过运用NURBS曲面算法对点云数据分块进行曲面拟合，对试验数据进行回归计算，得到三维模型；有限元模型子模块对设计模型进行有限元分析，将测量数据采集以及预处理模块采集数据与有限元模型进行比对，从而修正有限元模型。
进一步优选的，所述智能预测模块利用修正后的有限元模型，结合述数据采集以及预处理模块所采集的其他测量数据，综合分析以及预测该建筑物的风险系数，最后在显示器中显示三维模型图像和未来各个时段的评估报告以及解决方案。
本发明的优点是：
1．本发明所提供的基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，通过三维激光扫描技术采集数据，完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据，可以建立更高精度和更加逼真的三维模型，大大降低采集工序的时间和成本。
2．本发明的建构物健康监测系统具有监控量测实时化、采集结果精细化、后期处理自动化、输出结果多样化、设计优化直观化、解决方案智能化等特点，操作性强，应用价值大，可广泛用于桥梁、房屋、地铁、煤矿等建构物的检测和评估，应用范围广。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明所述的基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统的洗头膏原理图；
图2为本发明实施例所述的三维激光扫描点云三维重建的流程图。
图中：1.采集以及预处理模块；2.数据分析模块；智能预测模块；4.多传感器测量子模块；5.控制和数据采集子模块；6.数据预处理子模块；7.三维模型重建子模块；8.有限元模型子模块；9.自动化输出子模块。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明的一种基于三维激扫描技术的健康监测系统的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所揭示的基于三维激扫描技术的健康监测系统，具有主模块测量数据采集以及预处理模块1、数据分析模块2和智能预测模块3。所述测量数据采集以及预处理模块1包括多传感器测量子模块4，控制和数据采集子模块5和数据预处理自模块6，数据分析模块2包括三维模型重建子模块7和有限元模型子模块8，智能预测模块3包括自动化输出子模块9。
所述的测量数据采集以及预处理模块的多传感器测量子模块与控制和数据采集子模块测量得到工程结构各区域点云数据，数据预处理子模块对点云数据进行坐标纠正，对数据进行滤波，减少数据的噪声点，并把仪器坐标系下的点云转化到当地或者全球坐标系统下，从而完成点云数据的预处理。所述多传感器测量子模块以三维激光扫描仪为主。所述控制和数据采集子模块中以控制台为中心，控制台控制设备开启，关闭以及检测。
所述数据分析模块的三维模型重建子模块通过运用NURBS曲面算法对点云数据分块进行曲面拟合，对试验数据进行回归计算，得到三维模型；有限元模型子模块对设计模型进行有限元分析，将测量数据采集以及预处理模块采集数据与有限元模型进行比对，从而修正有限元模型。
所述智能预测模块利用修正后的有限元模型，结合述数据采集以及预处理模块所采集的其他测量数据，综合分析以及预测该建筑物的风险系数，最后通过自动化输出子模块在显示器中显示三维模型图像和未来各个时段的评估报告以及合理解决方案。
具体的，本发明所述的基于三维激扫描技术的健康监测系统的健康监测方法包括以下内容。
三维激光扫描仪对工程结构进行扫描，得到工程结构各区域点云数据，存储于移动设备的磁盘矩阵中。对点云数据进行坐标纠正，使相邻区域点云图上有三个以上的同名控制点和控制标靶，将相邻的点云统一到同一个坐标系下。对数据进行滤波，减少数据的噪声点。把仪器坐标系下的点云转化到当地或者全球坐标系统下，从而初始化点云构建成功。
如图2所示，为三维激光扫描点云三维重建的流程图。按照工程的需求、硬件设备计算和存储的能力，将点云数据简化。对点云数据进行数据分割，划分到不同的点云子集中，每个点云子集代表同一种曲面形式。依次对每一个点云子集运用NURBS曲面算法进行曲面拟合，对试验数据进行回归计算，得到试验条件下公式模型中各参数的取值范围。最终用较少的几个参数分片描述扫描的点云，得到分片3D模型。接着，将各个片面子集拼接得到完整模型。输出点云、3D模型和参数文件。
根据预设参数建立有限元模型，分析结构变形情况。将有限元模型变形结果与3D模型进行比较，得出数值比较结果，以曲线或者云图的方式显示。
采用试验设计和回归分析方法,以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间复杂的隐式函数关系,得到简化的结构模型(Meta-model),给出有限元模型修正过程。主要包括方差分析的参数选取、回归分析的响应面的拟合以及利用响应面进行有限元模型修正。针对复杂的结构讨论样本选择、修正参数选取以及如何从众多因素中较合理地建立结构的响应面模型。用数值模拟算例和3D模型结果,实现基于响应面模型的结构有限元模型修正。基于响应面方法的有限元模型修正和验证,能显著提高修正的效率,计算简洁、迭代收敛快,避开每次迭代都需要进行有限元计算。
利用修正后的FEM模型，智能预测结构未来的变形情况，并进行风险分析，给出风险分析报告。结合国家有关建构物的标准提出建议。
分析结果显示在同一个平台中，显示三维扫描结果、3D模型和有限元模型，其中三维测量结果以点云形式显示，三维模型重建和FEM模型结果以曲面形式显示。可以进行动态显示，并能通过鼠标点击或者对话框输入坐标值获得对应位置处的FEM数据结果与三维测量数据结果，得到一种可视化的、可多角度、全方位观察的三维效果图，通过鼠标操作即可实现缩放、旋转、视图选择、局部窗口显示。可以进行FEM数据与实验测试数据的误差分析，以曲线或者以云图的方式进行显示。以图片格式输出误差分析图示结果。通过分析结果的显示，使用者能更直观、全面地了解建构物目前的状况和对未来的预测，具有良好的人机界面。
以上结合附图对本发明的较佳实施例进行了详细描述，但本技术领域中的普通技术人员可以认识前述实施例只是为了说明本发明的实施过程以及步骤，而非限定本发明，所以根据本发明构思所作的变化或变型，都应属于所附权利要求书限定的范围内。
Claims (6)
1.一种基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，其特征在于：包括测量数据采集以及预处理模块（1），数据分析模块（2）和智能预测模块（3），所述数据采集以及预处理模块（1）所采集的建构物数据在数据分析模块（2）中进行分析处理，智能预测模块（3）结合数据分析结果以及所述数据采集以及预处理模块（1）所采集的数据综合分析进而监测和评估建构物。
2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，其特征在于：所述的测量数据采集以及预处理模块（1）包含多传感器测量子模块（4）、控制和数据采集子模块（5）和数据预处理子模块（6）；多传感器测量子模块（4）与控制和数据采集子模块（5）测量得到工程结构各区域点云数据，数据预处理子模块（6）对点云数据进行坐标纠正，对数据进行滤波，减少数据的噪声点，并把仪器坐标系下的点云转化到当地或者全球坐标系统下，从而完成点云数据的预处理。
3.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，其特征在于：所述多传感器测量子模块（4）包括三维激光扫描仪。
4.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，其特征在于：所述控制和数据采集子模块（5）中以控制台为中心，控制台控制设备开启，关闭以及检测。
5.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，其特征在于：所述数据分析模块（2）包含三维模型重建子模块（7）和有限元模型子模块（8）；三维模型重建子模块（7）通过运用NURBS曲面算法对点云数据分块进行曲面拟合，对试验数据进行回归计算，得到三维模型；有限元模型子模块（8）对设计模型进行有限元分析，将测量数据采集以及预处理模块采集数据与有限元模型进行比对，从而修正有限元模型。
6.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的建构物健康监测系统，其特征在于：所述智能预测模块（3）利用修正后的有限元模型，结合述数据采集以及预处理模块（1）所采集的其他测量数据，综合分析以及预测该建筑物的风险系数，最后在显示器中显示三维模型图像和未来各个时段的评估报告以及解决方案。
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| CN105157590B (zh) | 2018-03-27 |
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