CN105423993B - 基于三维激光扫描的变形监测坐标基准建立方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法及装置，该方法包括：利用三维激光扫描仪对变形体及周边建筑物进行扫描，获取三维点云数据；利用三维点云数据建立变形体及周边建筑物的三维模型；对三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片，获取多个点云面片；从多个点云面片中选择符合预设条件的两个互相垂直的点云面片；选取水平面，水平面与第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交，根据第一竖直点云面片、第二竖直点云面片和水平面的相交线建立变形监测坐标系。本发明通过三维激光扫描仪测量变形体的三维点云数据，然后建立统一且稳定的变形监测坐标系作为监测基准，保证后续计算得到的变形测量数据准确可靠。

Description

基于三维激光扫描的变形监测坐标基准建立方法及装置

技术领域

本发明涉及三维激光扫描技术领域，特别涉及一种基于三维激光扫描的变形监测坐标基准建立方法及装置。

背景技术

随着城市日新月异的建设步伐，高层建筑、大型桥梁、基坑工程得到了迅速发展。在施工及运营过程中，准确获得标的物的变形值是保证安全和进行安全评估的重要手段，而如何高效、准确测定变形值一直是测绘工作者的努力方向。

目前，在变形监测中主要采用三维激光扫描技术。三维激光扫描是一种新的测量技术，具有速度快、精度高、非接触、能够建立三维点云模形等特点，近年来广泛应用于多个领域。

传统监测手段多采用全站仪、水准仪的测量手段，需要事先埋设监测点位，其特点是单点式监测，其监测点少，难以发现无监测点区域的变形情况，而一旦破坏会严重影响成果的连续性。目前三维激光扫描可以获得被测量物体表面大量的三维点云数据，改变了传统的单点变形观测模式，使传统的“点测量”方式变为“面测量”方式。因此，将三维激光扫描技术应用于变形监测工作，具有传统测量方法无法比拟的优势，具有重要的现实意义。

此外，变形监测的关键是建立稳定的测绘基准，利用此基准将施工前的监测对象进行测量，获得测量坐标点作为初始值。随着施工的进行，按计划周期利用此基准对监测对象进行多次测量获得每次测量的坐标，与初始值进行比较获得每次的变化量。该变化量即为变形监测的变形值。稳定的基准如何建立，是关系到变形测量数据是否可靠的基础。

目前，三维激光扫描在变形监测工作中需要布设“标靶”，并需要采用全站仪或卫星定位测量设备进行大地坐标的测量系，同时建立三维激光扫描坐标系和大地坐标系的转换关系，这就导致测量精度有所损失，效率也受到限制，而变形监测需要有稳定不变的坐标基准才可进行变形量的计算。如何建立有稳定不变的坐标基准是当前变形监测需要解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法及装置，通过三维激光扫描仪测量变形体的三维点云数据，然后建立统一且稳定的变形监测坐标系作为监测基准，保证后续计算得到的变形测量数据准确可靠。

为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用三维激光扫描仪对变形体及周边建筑物进行扫描，获取三维点云数据；

步骤S2，利用所述三维点云数据建立所述变形体及周边建筑物的三维模型；

步骤S3，对所述三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片，获取多个点云面片；

步骤S4，从所述多个点云面片中选择符合预设条件的两个互相垂直的点云面片，其中，选取的每个所述点云面片均为竖直面，分别记为第一竖直点云面片和第二竖直点云面片；

步骤S5，选取水平面，所述水平面与所述第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交，根据所述第一竖直点云面片、第二竖直点云面片和所述水平面的相交线建立变形监测坐标系，其中，所述建立变形监测坐标系，包括如下步骤：

计算所述第一竖直点云面片和所述第二竖直点云面片的第一相交线，定义所述第一相交线为所述变形监测坐标系的Z轴，其中，所述Z轴的正方向竖直向上；

选择位于同一水平线上的多个特征点，根据所述多个特征点拟合直线，计算通过所述直线且与所述Z轴垂直的平面作为所述水平面，定义所述水平面与所述Z轴的交点为所述变形监测坐标系的原点；

计算所述水平面与所述第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交的第二相交线和第三相交线，定义所述第二相交线和第三相交线分别为所述变形监测坐标系的X轴和Y轴。

进一步，在所述步骤S3中，所述对三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片，包括如下步骤：

对判断位于同一面片上的三维点云数据设置相同的属性值，将属性值相同的三维点云数据划分为一个点云面片。

进一步，在所述步骤S4中，所述预设条件为:在基坑开挖过程中，没有发生水平位移、竖直位移和变形。

进一步，在所述步骤S5之后，还包括如下步骤：将所述三维激光扫描仪每次扫描所述变形体得到的坐标，统一到所述步骤S5建立的变形监测坐标系下，计算变形量，判断所述变形体是否发生变形。

本发明另一方面实施例提出一种基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立装置，包括：三维激光扫描仪和计算单元，其中，所述三维激光扫描仪用于对变形体及周边建筑物进行扫描，获取三维点云数据；所述计算单元与所述三维激光扫描仪相连，用于接收所述三维点云数据，利用所述三维点云数据建立所述变形体及周边建筑物的三维模型，对所述三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片以获取多个点云面片，从所述多个点云面片中选择符合预设条件的两个互相垂直的点云面片，其中，选取的每个所述点云面片均为竖直面，分别记为第一竖直点云面片和第二竖直点云面片，然后所述计算单元选取水平面，所述水平面与所述第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交，根据所述第一竖直点云面片、第二竖直点云面片和所述水平面的相交线建立变形监测坐标系，其中，所述计算单元首先计算所述第一竖直点云面片和所述第二竖直点云面片的第一相交线，定义所述第一相交线为所述变形监测坐标系的Z轴，其中，所述Z轴的正方向竖直向上，然后选择位于同一水平线上的多个特征点，根据所述多个特征点拟合直线计算通过所述直线且与所述Z轴垂直的平面作为所述水平面，定义所述水平面与所述Z轴的交点为所述变形监测坐标系的原点，最后计算所述水平面与所述第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交的第二相交线和第三相交线，定义所述第二相交线和第三相交线分别为所述变形监测坐标系的X轴和Y轴。

进一步，所述计算单元对判断位于同一面片上的三维点云数据设置相同的属性值，将属性值相同的三维点云数据划分为一个点云面片。

进一步，所述预设条件为:在基坑开挖过程中，没有发生水平位移、竖直位移和变形。

进一步，所述计算单元还用于将所述三维激光扫描仪每次扫描所述变形体得到的坐标，统一到所述变形监测坐标系下，计算变形量，判断所述变形体是否发生变形。

根据本发明实施例的基于三维激光扫描的变形监测坐标基准建立方法及装置，通过三维激光扫描仪测量变形体的三维点云数据，然后建立统一且稳定的变形监测坐标系作为监测基准，保证后续计算得到的变形测量数据准确可靠，可以同时判断变形体任意一点的变形值且监测精度有保证，在监测工作中发挥重要的作用。本发明既不需要人到达被监测对象，从而大大降低监测过程中的人身安全，也不需要再用全站仪进行测量标靶而获得测量基准，从而大大简化了三维激光扫描仪作业的操作方法，同时提高的基准的精度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的变形监测坐标系的示意图；

图3为根据本发明实施例的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立装置的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

由于激光扫描仪每次扫描数据所依赖的坐标系统都是独立的，在变形监测过程中需要在同一坐标系下对指变形体的坐标进行对比，获得变形体是否有变形。本发明提出了一种基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法及装置，用以建立统一的坐标系对变形体的变形量进行计算。

如图1所示，本发明实施例的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用三维激光扫描仪对变形体及周边建筑物进行扫描，获取三维点云数据。

步骤S2，利用三维点云数据建立变形体及周边建筑物的三维模型。

步骤S3，对三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片，获取多个点云面片。

在本步骤中，对判断位于同一面片上的三维点云数据设置相同的属性值，将属性值相同的三维点云数据划分为一个点云面片，即依据空间共面性对三维点云数据进行分片。

步骤S4，从多个点云面片中选择符合预设条件的两个互相垂直的点云面片。其中，选取的每个点云面片均为竖直面，分别记为第一竖直点云面片和第二竖直点云面片。

在本发明的一个实施例中，预设条件为:在基坑开挖过程中，没有发生水平位移、竖直位移和变形。

步骤S5，选取水平面，水平面与第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交，根据第一竖直点云面片、第二竖直点云面片和水平面的相交线建立变形监测坐标系。

首先，计算第一竖直点云面片和第二竖直点云面片的第一相交线，定义第一相交线为变形监测坐标系的Z轴。其中，Z轴的正方向竖直向上。

然后，选择位于同一水平线上的多个特征点，根据多个特征点拟合直线，计算通过直线且与Z轴垂直的平面作为水平面，定义水平面与Z轴的交点为变形监测坐标系的原点。

最后，计算水平面与第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交的第二相交线和第三相交线，定义第二相交线和第三相交线分别为变形监测坐标系的X轴和Y轴。

图2为根据本发明实施例的变形监测坐标系的示意图。其中，A为选择的位于同一水平线上的特征点。该变形监测坐标系遵循笛卡尔坐标系的右手法则。

进一步，在步骤S5之后，还包括如下步骤：将三维激光扫描仪每次扫描变形体得到的坐标，统一到步骤S5建立的变形监测坐标系下，计算变形量，判断变形体是否发生变形。

具体地，在施工前利用三维激光扫描仪对变形体及周边稳定建筑物进行两次测量获得测量基准的位置，由于建立基准面采用变形区外的建筑物的三维点云数据进行提取、抽象、建模计算获得(即上述实施例中的步骤S1至步骤S5得到的变形监测坐标系)，因此不会因被监测对象(变形体)的变形而发生变化。

采用三维激光扫描仪对同一变形体及周边稳定建筑物进行多次，每次扫描均按照上述方法建立变形监测坐标系作为基准，在统一的变形监测坐标系基准下获得监测对象的坐标，与被监测对象(变形体)的初始值进行比较即可获得每次的变形量。

如图3所示，本发明实施例提供的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立装置，包括：三维激光扫描仪1和计算单元2。

具体地，三维激光扫描仪1对变形体及周边建筑物进行扫描，获取三维点云数据。

计算单元2与三维激光扫描仪1相连，用于接收三维点云数据，利用三维点云数据建立变形体及周边建筑物的三维模型，对三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片以获取多个点云面片。

具体地，计算单元2对判断位于同一面片上的三维点云数据设置相同的属性值，将属性值相同的三维点云数据划分为一个点云面片，即依据空间共面性对三维点云数据进行分片。

然后，计算单元2从多个点云面片中选择符合预设条件的两个互相垂直的点云面片.其中，选取的每个点云面片均为竖直面，分别记为第一竖直点云面片和第二竖直点云面片。

在本发明的一个实施例中，预设条件为:在基坑开挖过程中，没有发生水平位移、竖直位移和变形。

其后，计算单元2选取水平面，水平面与第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交。

最后，计算单元2根据第一竖直点云面片、第二竖直点云面片和水平面的相交线建立变形监测坐标系。

具体地，计算单元2计算第一竖直点云面片和第二竖直点云面片的第一相交线，定义第一相交线为变形监测坐标系的Z轴。其中，Z轴的正方向竖直向上。

计算单元2选择位于同一水平线上的多个特征点，根据多个特征点拟合直线计算通过直线且与Z轴垂直的平面作为水平面，定义水平面与Z轴的交点为变形监测坐标系的原点。

最后，计算单元2计算水平面与第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交的第二相交线和第三相交线，定义第二相交线和第三相交线分别为变形监测坐标系的X轴和Y轴。

进一步，计算单元2将三维激光扫描仪2每次扫描变形体得到的坐标，统一到步变形监测坐标系下，计算变形量，判断变形体是否发生变形。

具体地，在施工前利用三维激光扫描仪1对变形体及周边稳定建筑物进行两次测量获得测量基准的位置，由于计算单元2建立基准面(即变形监测坐标系)采用变形区外的建筑物的三维点云数据进行提取、抽象、建模计算获得，因此不会因被监测对象(变形体)的变形而发生变化。

采用三维激光扫描仪2对同一变形体及周边稳定建筑物进行多次，每次扫描均按照上述方法建立变形监测坐标系作为基准，在统一的变形监测坐标系基准下获得监测对象的坐标，利用计算单元2与被监测对象(变形体)的初始值进行比较即可获得每次的变形量。

根据本发明实施例的基于三维激光扫描的变形监测坐标基准建立方法及装置，通过三维激光扫描仪测量变形体的三维点云数据，然后建立统一且稳定的变形监测坐标系作为监测基准，保证后续计算得到的变形测量数据准确可靠，可以同时判断变形体任意一点的变形值且监测精度有保证，在监测工作中发挥重要的作用。本发明既不需要人到达被监测对象，从而大大降低监测过程中的人身安全，也不需要再用全站仪进行测量标靶而获得测量基准，从而大大简化了三维激光扫描仪作业的操作方法，同时提高的基准的精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (8)

1.一种基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，利用三维激光扫描仪对变形体及周边建筑物进行扫描，获取三维点云数据；

步骤S2，利用所述三维点云数据建立所述变形体及周边建筑物的三维模型；

步骤S3，对所述三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片，获取多个点云面片；

步骤S4，从所述多个点云面片中选择符合预设条件的两个互相垂直的点云面片，其中，选取的每个所述点云面片均为竖直面，分别记为第一竖直点云面片和第二竖直点云面片；

步骤S5，选取水平面，所述水平面与所述第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交，根据所述第一竖直点云面片、第二竖直点云面片和所述水平面的相交线建立变形监测坐标系，其中，所述建立变形监测坐标系，包括如下步骤：

计算所述第一竖直点云面片和所述第二竖直点云面片的第一相交线，定义所述第一相交线为所述变形监测坐标系的Z轴，其中，所述Z轴的正方向竖直向上；

选择位于同一水平线上的多个特征点，根据所述多个特征点拟合直线，计算通过所述直线且与所述Z轴垂直的平面作为所述水平面，定义所述水平面与所述Z轴的交点为所述变形监测坐标系的原点；

计算所述水平面与所述第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交的第二相交线和第三相交线，定义所述第二相交线和第三相交线分别为所述变形监测坐标系的X轴和Y轴。

2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述对三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片，包括如下步骤：

对判断位于同一面片上的三维点云数据设置相同的属性值，将属性值相同的三维点云数据划分为一个点云面片。

3.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述预设条件为:在基坑开挖过程中，没有发生水平位移、竖直位移和变形。

4.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立方法，其特征在于，在所述步骤S5之后，还包括如下步骤：将所述三维激光扫描仪每次扫描所述变形体得到的坐标，统一到所述步骤S5建立的变形监测坐标系下，计算变形量，判断所述变形体是否发生变形。

5.一种基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立装置，其特征在于，包括：三维激光扫描仪和计算单元，其中，

所述三维激光扫描仪用于对变形体及周边建筑物进行扫描，获取三维点云数据；

所述计算单元与所述三维激光扫描仪相连，用于接收所述三维点云数据，利用所述三维点云数据建立所述变形体及周边建筑物的三维模型，对所述三维模型中的三维点云数据依据空间共面性进行分片以获取多个点云面片，从所述多个点云面片中选择符合预设条件的两个互相垂直的点云面片，其中，选取的每个所述点云面片均为竖直面，分别记为第一竖直点云面片和第二竖直点云面片，然后所述计算单元选取水平面，所述水平面与所述第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交，根据所述第一竖直点云面片、第二竖直点云面片和所述水平面的相交线建立变形监测坐标系，其中，所述计算单元首先计算所述第一竖直点云面片和所述第二竖直点云面片的第一相交线，定义所述第一相交线为所述变形监测坐标系的Z轴，其中，所述Z轴的正方向竖直向上，然后选择位于同一水平线上的多个特征点，根据所述多个特征点拟合直线计算通过所述直线且与所述Z轴垂直的平面作为所述水平面，定义所述水平面与所述Z轴的交点为所述变形监测坐标系的原点，最后计算所述水平面与所述第一竖直点云面片和第二竖直点云面片相交的第二相交线和第三相交线，定义所述第二相交线和第三相交线分别为所述变形监测坐标系的X轴和Y轴。

6.如权利要求5所述的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立装置，其特征在于，所述计算单元对判断位于同一面片上的三维点云数据设置相同的属性值，将属性值相同的三维点云数据划分为一个点云面片。

7.如权利要求5所述的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立装置，其特征在于，所述预设条件为:在基坑开挖过程中，没有发生水平位移、竖直位移和变形。

8.如权利要求5所述的基于三维激光扫描的变形监测坐标系建立装置，其特征在于，所述计算单元还用于将所述三维激光扫描仪每次扫描所述变形体得到的坐标，统一到所述变形监测坐标系下，计算变形量，判断所述变形体是否发生变形。