CN107316299A - 基于三维点云技术的古建筑变形监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，包括：S1.对待监测古建筑进行第一次三维扫描，建立目标古建筑点云数据信息；S2.对同一待监测古建筑进行第二次至第N次三维扫描，再次建立该古建筑的相应点云数据信息；S3.对比同一待监测古建筑两次或两次以上的点云数据信息，分析得到古建筑自身形变信息；S4.根据所得古建筑点自身形变信息，判断是否需要发出古建筑变形警报。本发明还提供了一种基于三维点云技术的古建筑变形监测系统，包括点云扫描端和数据处理端；所述点云扫描端包括围绕待扫描建筑设置的2个以上扫描参考基准和测站；所述数据处理端包括：接收模块、分析模块、储存模块和报警模块。

Description

基于三维点云技术的古建筑变形监测方法和系统

技术领域

本发明属于测绘技术领域，具体涉及一种基于三维点云技术的古建筑变形监测方法和系统。

背景技术

古建筑是指具有历史意义的建国之前的民用建筑和公共建筑。在中国，很多古镇以及大部分的大城市还保留着一些古建筑。然而，在大兴土木的现在，许多古建筑被人为拆除或由于地质环境的剧烈变化，如在古建筑周边修建的水库、高楼等，造成古建筑变形速度加剧，进而导致古建筑越来越快速的出现形变破损。此外，由于古建筑的形变是一个相对缓和的过程，管理人员或住户一般很难通过肉眼或传统的测绘设备发现这一形变过程，往往只有当古建筑出现形变破损后，才能采取相应的修补措施，这对古建筑的保存和保养极为不利。

发明内容

本发明针对现有技术仅能在古建筑出现形变破损后，才能采取相应的修补措施的问题，提供了一种基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，具体包括以下步骤：

S1.对待监测古建筑进行第一次三维扫描，建立目标古建筑点云数据信息。

S2.对同一待监测古建筑进行第二次至第N次三维扫描，再次建立目标古建筑的相应点云数据信息。

S3.对比同一待监测古建筑两次或两次以上的点云数据信息，分析得到古建筑自身形变信息。

S4.根据所得古建筑点自身形变信息，判断是否需要发出古建筑变形警报。

进一步的，步骤S1和步骤S2所述三维扫描的扫描方法包括：

(1)在建筑周边设置扫描测站，并对扫描测站进行编号。

(2)获取各扫描测站的扫描信息，并按照扫描测站编号进行数据拼接。

进一步的，所述按照扫描测站编号进行数据拼接的方法包括：首先将扫描测站按照编号循序。然后将编号连续的2个以上扫描测站设为一个扫描组，各扫描组内的扫描测站数相同，且相邻扫描组内存在相同编号的扫描测站。采用精密控制测量的方法精密测定所有扫描组内3个以上的公共扫描基准点作为扫描组内数据拼接的基准，所有基准点将通过最小二乘平差的方法进行整体精确定位。之后将各扫描组内的扫描测站信息按照编号顺序进行拼接。最后将相邻的扫描组，以相同编号扫描测站为基础进行叠加拼接。

进一步的，所述叠加拼接的方法包括：

首先将两个相邻扫描组的相同扫描测站编号处的扫描信息，以最大重合度进行重合叠加。然后对于重合叠加部分的重复数据区域，删除其中一组重复的数据，对于重合叠加部分的非重复数据区域，取两组扫描信息的平均值进行处理。上述叠加完成后，得到拼接后的扫描信息。

进一步的，步骤S2中所述第二次至第N次三维扫描基于与第一次三维扫描相同的扫描测站分布设置和点云处理方法，相邻两次扫描的时间间隔为3-36个月。

进一步的，步骤S3所述分析得到古建筑自身形变信息的方法包括：首先分别截选出非同次扫描所得古建筑底面的二维图层。然后以所得底面二维图层为基点，最大限度重合非同次扫描所得古建筑点云数据信息。之后删除其中重复的点云数据，保留非重合点云数据作为所述古建筑自身形变信息。

进一步的，步骤S4所述判断是否需要发出古建筑变形警报的方法包括：首先以第一次获得的古建筑点云数据信息为基础建立基础三维坐标系。然后加载历次古建筑自身形变信息，根据基础三维坐标系，对所述古建筑自身形变信息进行量化处理，得到古建筑扫描数据信息中各扫描点历次的形变量。之后基于下述判断步骤对所得各扫描点历次形变量进行进一步判断：

(1)判断各扫描点的所有历次形变量相比第一次获得的古建筑点云数据信息，是否超过预设形变阈值，如超过则报警，如未超过则进入步骤(2)。

(2)以各扫描点在第一次获得的古建筑点云数据中对应的点为基点，以各扫描点历次形变量为变化值，在基础三维坐标系中建立各扫描点历次形变量关于扫描时间的变化曲线。判断所得各扫描点变化曲线的趋势，如变化曲线趋向线性变化，且形变量数据点≥3个，则发出古建筑变形警报。如变化曲线趋向无序变化，则判断终止。

进一步的，步骤S1还包括：选定目标古建筑周边的至少一个参照物与古建筑进行同步三维扫描，计算得到古建筑点云数据中的各扫描点相对参照物的距离信息。

步骤S2还包括：对同一待监测古建筑进行第二次至第N次古建筑与参照物的同步三维扫描，计算得到古建筑第二次至第N次点云数据相对参照物的距离信息。

步骤S3还包括：通过比对历次扫描所得的古建筑点云数据相对参照物的距离信息，与第一次扫描所得的古建筑点云数据相对参照物的距离信息，得到历次扫描古建筑数据点云相对参照物的距离变化信息。

步骤S4还包括：根据所得古建筑相对参照物的距离变化信息，判断是否需要发出古建筑变形警报或古建筑所在地的地质环境警报。

进一步的，所述判断是否需要发出古建筑变形警报或古建筑所在地的地质环境警报的方法包括：

A.判断历次扫描所得的距离变化信息是否超出预设阈值，去超过则发出古建筑变形警报，如未超过则进入下一步骤。

B.判断历次扫描所得的距离变化信息是否成线性规律变化，如是则发出古建筑所在地的地质环境警报，如不是则进入下一步骤。

C.判断各次扫描所得的距离变化信息点数是否超过古建筑所有点云数据的60％以上，如超过则发出古建筑所在地的地质环境警报，如未超过则判断终止。

本发明还提供了一种基于三维点云技术的古建筑变形监测系统，包括点云扫描端和数据处理端。所述点云扫描端包括围绕待扫描建筑设置的2个以上扫描参考基准和2个以上扫描测站。所述点云扫描端扫描的到的扫描信息发送至数据处理端。

所述数据处理端包括：接收模块、分析模块、储存模块和报警模块。

所述接收模块用于接收点云扫描端扫描得到的点云数据信息。

所述分析模块包括：采用上述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，对所述点云数据信息进行分析处理。

所述储存模块用于储存点云数据信息和分析模块得到的分析数据信息。

所述报警模块与分析模块信号连接，根据分析模块发出的报警指令，向用户发出相应警报。

本发明至少具有以下优点之一：

1.本发明基于三维点云技术，通过对古建筑多次不同时间段的三维数据模型对比，得到古建筑的形变信息，进而分析出古建筑的形变趋势，往往可以在古建筑出现形变破损前就及时发现和提示管理员或住户，古建筑出现形变。这样管理员或住户就可以在古建筑出现形变破损前进行针对性的保养，而不用等古建筑出现破损后进行修复，可以最大限度的完整保存古建筑。

2.本发明采用自主研发的数据拼接技术，可以对点云数据进行精确定位，进而保证了数据模型的精确度和准确度，从而提高古建筑监测的准确度。

3.本发明利用同比参照物的方法，可以实现对古建筑所在地的地质变化情况进行监控，帮助管理员或住户有针对性的解决古建筑的形变问题。

4.本发明提供的基于三维点云技术的古建筑变形监测系统，可以快速、准确、高效的对古建筑进行形变监测。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，具体包括以下步骤：

S1.对待监测古建筑进行第一次三维扫描，建立目标古建筑点云数据信息。

S2.对同一待监测古建筑进行第二次至第N次三维扫描，再次建立目标古建筑的相应点云数据信息。

S3.对比同一待监测古建筑两次或两次以上的点云数据信息，分析得到古建筑自身形变信息。

S4.根据所得古建筑点自身形变信息，判断是否需要发出古建筑变形警报。

步骤S1和步骤S2所述三维扫描的扫描方法包括：

(1)在建筑周边设置扫描测站，并对扫描测站进行编号。

(2)获取各扫描测站的扫描信息，并按照扫描测站编号进行数据拼接。

所述按照扫描测站编号进行数据拼接的方法包括：首先将扫描测站按照编号循序。然后将编号连续的2个扫描测站设为一个扫描组，各扫描组内的扫描测站数相同，且相邻扫描组内存在相同编号的扫描测站。采用精密控制测量的方法精密测定所有扫描组内3个公共扫描基准点作为扫描组内数据拼接的基准，所有基准点将通过最小二乘平差的方法进行整体精确定位。之后将各扫描组内的扫描测站信息按照编号顺序进行拼接。最后将相邻的扫描组，以相同编号扫描测站为基础进行叠加拼接。

所述叠加拼接的方法包括：

首先将两个相邻扫描组的相同扫描测站编号处的扫描信息，以最大重合度进行重合叠加。然后对于重合叠加部分的重复数据区域，删除其中一组重复的数据，对于重合叠加部分的非重复数据区域，取两组扫描信息的平均值进行处理。上述叠加完成后，得到拼接后的扫描信息。

现有扫描数据的拼接通常采用公共标识连续拼接的方式，即通过不同扫描测站之间的公共标识进行连续拼接，最后连接成一个整体，直至形成扫描模型。采用现有扫描数据拼接方法，虽然可以形成较为完成的数据模型，然而由于拼接时的拼接标识缺乏足够的定位精度，拼接误差随着扫描测站数的增加误差不断累积，经常会出现数据模型结构不符合实际建筑结构、模型出现不同程度的弯曲或扭曲、存在“飞离”现象，即墙离地、窗离墙等问题，需要进行大量的人工校对或重新扫描。

申请人经过研究，采用了新的数据拼接方法，即通过设置扫描测站编号、精密定位扫描组内的拼接基准标识、组合扫描组、拼接扫描组的方式进行数据拼接。由于各扫描组内存在至少1个相同扫描测站的扫描数据，这样拼接时就可以以相同扫描测站的数据为基点实现自动校对。采用该方法拼接出的数据模型几乎不需要进行人工校对，数据模型的准确度很高。

步骤S2中所述第二次至第N次三维扫描基于与第一次三维扫描相同的扫描测站分布设置和点云处理方法，相邻两次扫描的时间间隔为3个月。

实施例2

基于实施例1所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其中步骤S3所述分析得到古建筑自身形变信息的方法包括：首先分别截选出非同次扫描所得古建筑底面的二维图层。然后以所得底面二维图层为基点，最大限度重合非同次扫描所得古建筑点云数据信息。之后删除其中重复的点云数据，保留非重合点云数据作为所述古建筑自身形变信息。

步骤S4所述判断是否需要发出古建筑变形警报的方法包括：首先以第一次获得的古建筑点云数据信息为基础建立基础三维坐标系。然后加载历次古建筑自身形变信息，根据基础三维坐标系，对所述古建筑自身形变信息进行量化处理，得到古建筑扫描数据信息中各扫描点历次的形变量。之后基于下述判断步骤对所得各扫描点历次形变量进行进一步判断：

(1)判断各扫描点的所有历次形变量相比第一次获得的古建筑点云数据信息，是否超过预设形变阈值，所述阈值一般可以选定为形变量不超过5％，也可以额根据需要选择1％、3％、10％等。如形变量超过所述阈值则说明古建筑在某一点或某一区域发生重大形变，此时应针对该点或该区域进行古建筑形变报警，如未超过，则说明古建筑可能因为风吹日晒、内部装饰变化等原因发生了规律或小规模形变，则进入步骤(2)进行进一步判断。

(2)以各扫描点在第一次获得的古建筑点云数据中对应的点为基点，以各扫描点历次形变量为变化值，在基础三维坐标系中建立各扫描点历次形变量关于扫描时间的变化曲线。判断所得各扫描点变化曲线的趋势，如变化曲线趋向线性变化，且形变量数据点≥3个，则说明古建筑正在发生缓慢而规律的形变，该形变一般是由于外部自然条件，如风水日晒导致，此时需要发出古建筑变形警报。如变化曲线趋向无序变化，则说明古建筑的形变不会或难以形成累积量，进而导致形变破损，因此可以暂时不用进行关注，此时判断终止。

实施例3

基于实施例1所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，步骤S1还包括：选定目标古建筑周边的至少一个参照物与古建筑进行同步三维扫描，计算得到古建筑点云数据中的各扫描点相对参照物的距离信息。

步骤S2还包括：对同一待监测古建筑进行第二次至第N次古建筑与参照物的同步三维扫描，计算得到古建筑第二次至第N次点云数据相对参照物的距离信息。

步骤S3还包括：通过比对历次扫描所得的古建筑点云数据相对参照物的距离信息，与第一次扫描所得的古建筑点云数据相对参照物的距离信息，得到历次扫描古建筑数据点云相对参照物的距离变化信息。

步骤S4还包括：根据所得古建筑相对参照物的距离变化信息，判断是否需要发出古建筑变形警报或古建筑所在地的地质环境警报。

所述判断是否需要发出古建筑变形警报或古建筑所在地的地质环境警报的方法包括：

A.判断历次扫描所得的距离变化信息是否超出预设阈值，去超过则发出古建筑变形警报，如未超过则进入下一步骤。

B.判断历次扫描所得的距离变化信息是否成线性规律变化，如是则发出古建筑所在地的地质环境警报，如不是则进入下一步骤。

C.判断各次扫描所得的距离变化信息点数是否超过古建筑所有点云数据的60％以上，如超过则发出古建筑所在地的地质环境警报，如未超过则判断终止。

采用上述方法可以通过引入的参照物——通常可以选择远处的山、河道等相对固定的物体——对古建筑进行二次定位分析，通过对比古建筑相对参照物的位置变化，进一步判断出古建筑的形变是由于外部自然条件导致还是由于地质环境变化导致，可以帮助管理员或住户进行针对性的保养或补救措施。

实施例4

一种基于三维点云技术的古建筑变形监测系统，包括点云扫描端和数据处理端。所述点云扫描端包括围绕待扫描建筑设置的2个用于精确定位建筑的扫描参考基准，和4个扫描测站。所述点云扫描端扫描的到的扫描信息发送至数据处理端。

所述数据处理端包括：接收模块、分析模块、储存模块和报警模块。

所述接收模块用于接收点云扫描端扫描得到的点云数据信息。

所述分析模块包括：采用上述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，对所述点云数据信息进行分析处理。

所述储存模块用于储存点云数据信息和分析模块得到的分析数据信息。

所述报警模块与分析模块信号连接，根据分析模块发出的报警指令，向用户发出相应警报。

本发明至少具有以下优点之一：

1.本发明基于三维点云技术，通过对古建筑多次不同时间段的三维数据模型对比，得到古建筑的形变信息，进而分析出古建筑的形变趋势，往往可以在古建筑出现形变破损前就及时发现和提示管理员或住户，古建筑出现形变。这样管理员或住户就可以在古建筑出现形变破损前进行针对性的保养，而不用等古建筑出现破损后进行修复，可以最大限度的完整保存古建筑。

2.本发明采用自主研发的数据拼接技术，可以对点云数据进行精确定位，进而保证了数据模型的精确度和准确度，从而提高古建筑监测的准确度。

3.本发明利用同比参照物的方法，可以实现对古建筑所在地的地质变化情况进行监控，帮助管理员或住户有针对性的解决古建筑的形变问题。

4.本发明提供的基于三维点云技术的古建筑变形监测系统，可以快速、准确、高效的对古建筑进行形变监测。

应该注意到并理解，在不脱离本发明权利要求所要求的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (10)

1.基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.对待监测古建筑进行第一次三维扫描，建立目标古建筑点云数据信息；

S2.对同一待监测古建筑进行第二次至第N次三维扫描，再次建立目标古建筑的相应点云数据信息；

S3.对比同一待监测古建筑两次或两次以上的点云数据信息，分析得到古建筑自身形变信息；

S4.根据所得古建筑点自身形变信息，判断是否需要发出古建筑变形警报。

2.根据权利要求1所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，步骤S1和步骤S2所述三维扫描的扫描方法包括：

(1)在建筑周边设置扫描测站，并对扫描测站进行编号；

(2)获取各扫描测站的扫描信息，并按照扫描测站编号进行数据拼接。

3.根据权利要求2所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，所述按照扫描测站编号进行数据拼接的方法包括：首先将扫描测站按照编号循序；然后将编号连续的2个以上扫描测站设为一个扫描组，各扫描组内的扫描测站数相同，且相邻扫描组内存在相同编号的扫描测站；采用精密控制测量的方法精密测定所有扫描组内3个以上的公共扫描基准点作为扫描组内数据拼接的基准，所有基准点将通过最小二乘平差的方法进行整体精确定位；之后将各扫描组内的扫描测站信息按照编号顺序进行拼接；最后将相邻的扫描组，以相同编号扫描测站为基础进行叠加拼接。

4.根据权利要求3所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，所述叠加拼接的方法包括：

首先将两个相邻扫描组的相同扫描测站编号处的扫描信息，以最大重合度进行重合叠加；然后对于重合叠加部分的重复数据区域，删除其中一组重复的数据，对于重合叠加部分的非重复数据区域，取两组扫描信息的平均值进行处理；上述叠加完成后，得到拼接后的扫描信息。

5.根据权利要求2所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，步骤S2中所述第二次至第N次三维扫描基于与第一次三维扫描相同的扫描测站分布设置和点云处理方法，相邻两次扫描的时间间隔为3-36个月。

6.根据权利要求1所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，步骤S3所述分析得到古建筑自身形变信息的方法包括：首先分别截选出非同次扫描所得古建筑底面的二维图层；然后以所得底面二维图层为基点，最大限度重合非同次扫描所得古建筑点云数据信息；之后删除其中重复的点云数据，保留非重合点云数据作为所述古建筑自身形变信息。

7.根据权利要求1所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，步骤S4所述判断是否需要发出古建筑变形警报的方法包括：首先以第一次获得的古建筑点云数据信息为基础建立基础三维坐标系；然后加载历次古建筑自身形变信息，根据基础三维坐标系，对所述古建筑自身形变信息进行量化处理，得到古建筑扫描数据信息中各扫描点历次的形变量；之后基于下述判断步骤对所得各扫描点历次形变量进行进一步判断：

(1)判断各扫描点的所有历次形变量相比第一次获得的古建筑点云数据信息，是否超过预设形变阈值，如超过则报警，如未超过则进入步骤(2)；

(2)以各扫描点在第一次获得的古建筑点云数据中对应的点为基点，以各扫描点历次形变量为变化值，在基础三维坐标系中建立各扫描点历次形变量关于扫描时间的变化曲线；判断所得各扫描点变化曲线的趋势，如变化曲线趋向线性变化，且形变量数据点≥3个，则发出古建筑变形警报；如变化曲线趋向无序变化，则判断终止。

8.根据权利要求1所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，步骤S1还包括：选定目标古建筑周边的至少一个参照物与古建筑进行同步三维扫描，计算得到古建筑点云数据中的各扫描点相对参照物的距离信息；

步骤S2还包括：对同一待监测古建筑进行第二次至第N次古建筑与参照物的同步三维扫描，计算得到古建筑第二次至第N次点云数据相对参照物的距离信息；

步骤S3还包括：通过比对历次扫描所得的古建筑点云数据相对参照物的距离信息，与第一次扫描所得的古建筑点云数据相对参照物的距离信息，得到历次扫描古建筑数据点云相对参照物的距离变化信息；

步骤S4还包括：根据所得古建筑相对参照物的距离变化信息，判断是否需要发出古建筑变形警报或古建筑所在地的地质环境警报。

9.根据权利要求8所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，其特征在于，所述判断是否需要发出古建筑变形警报或古建筑所在地的地质环境警报的方法包括：

A.判断历次扫描所得的距离变化信息是否超出预设阈值，去超过则发出古建筑变形警报，如未超过则进入下一步骤；

B.判断历次扫描所得的距离变化信息是否成线性规律变化，如是则发出古建筑所在地的地质环境警报，如不是则进入下一步骤；

C.判断各次扫描所得的距离变化信息点数是否超过古建筑所有点云数据的60％以上，如超过则发出古建筑所在地的地质环境警报，如未超过则判断终止。

10.基于三维点云技术的古建筑变形监测系统，其特征在于，包括点云扫描端和数据处理端；所述点云扫描端包括围绕待扫描建筑设置的2个以上扫描参考基准和2个以上扫描测站；所述点云扫描端扫描的到的扫描信息发送至数据处理端；

所述数据处理端包括：接收模块、分析模块、储存模块和报警模块；

所述接收模块用于接收点云扫描端扫描得到的点云数据信息；

所述分析模块包括：采用权利要求1-9任一所述基于三维点云技术的古建筑变形监测方法，对所述点云数据信息进行分析处理；

所述储存模块用于储存点云数据信息和分析模块得到的分析数据信息；

所述报警模块与分析模块信号连接，根据分析模块发出的报警指令，向用户发出相应警报。