CN107388992A - 一种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑变形测量技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，该方法包括：1）固位仪器距塔筒水平距离不小于3/2塔筒高度，获取塔筒垂直投影1/3圆环段筒身点云数据；2）构建1/3环筒身TIN模型，拟合出圆形塔筒上下中心，提取塔筒截面；3）截面上不共线的任意3个点可确定一个唯一的圆平面，归算出圆形塔筒截面的中心坐标；4）通过得到的圆形塔筒底部与顶部中心坐标，计算塔筒纵向与横向倾斜分量、倾斜率。该方法解决了高耸塔筒垂直度传统检测中外业实施操作难、精度难控制、费时费力、目标数据准确性差及数据局限性大的弊端，可快速、高精度实现高耸圆形塔筒垂直度检测，对类似工程检测和监测具有重要的现实意义。

Description

一种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法

技术领域

本发明属于建筑变形测量技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法。

背景技术

建筑变形测量是对建筑物及其地基进行水平位移、沉降、倾斜、挠度、裂缝等的监测工作。尤其如风机塔筒、热力冷却塔筒、水塔、烟囱等大多属于高耸圆柱形建筑，具有高度较高（大于60m）、横截面相对较小的特征。这种高耸塔筒在长期运营中往复受自身重力、自然风力、地震等作用外力荷载，可能造成塔筒倾斜或局部弯曲，容易引发塔筒倾倒或坍塌。

在测绘新技术日渐成熟的今天，新型监测手段取得长足发展，但高耸塔筒建筑或超高塔筒的垂直度的检测手段仍然采用全站仪或经纬仪，这种常用传统作业方法对高耸塔筒因无法布设目标点（棱镜）而使外业实施操作难度大、测量精度难控制，其作业方式费时费力、目标数据准确性较差，而且数据局限性大。

发明内容

本发明的目的是解决高耸塔筒垂直度传统检测中存在的实施操作难、精度难控制、费时费力、目标数据准确性差及数据局限性大的问题。

为此，本发明提供了一种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，包括如下步骤：

步骤1）获取点云数据：固位架设三维激光扫描仪，获取塔筒垂直投影1/3圆环段筒身的点云数据；

步骤2）构建TIN模型：将步骤1）得到的点云数据进行预处理，构建塔筒1/3环筒身TIN模型；

步骤3）提取塔筒截面：在步骤2）得到的TIN模型中选取两个塔筒水平等高截面；

步骤4）归算塔筒截面中心坐标：分别在步骤3）的两个塔筒水平等高截面上选取不共线的任意3个点，每一个塔筒水平等高截面上的3个点确定一个唯一的圆平面，归算出两个圆形塔筒水平等高截面的中心坐标；

步骤5）垂直度计算：通过步骤4）得到的两个中心坐标，计算出塔筒的倾斜率和倾斜方向。

所述的步骤1）满足以下要求：

a）三维激光扫描仪架设固位点距塔筒水平距离不小于3/2塔筒高度，且应能完整扫描塔筒高度；

b）使用罗盘测定首次架设方向指向北方位或某一方位，后续重复架设扫描仪的起始方位应与首次方位一致；

c）每次扫描仪固位架设必须使用对中置平装置，保证扫描仪水平；

d）每次扫描先进行快速全景粗扫，然后对目标塔筒进行精细扫描。

所述的步骤3）中选取的两个塔筒水平等高截面为所要测量垂直度的那一段塔筒的上下截面。

所述的步骤3）中选取的两个塔筒水平等高截面为塔筒的顶部截面和底部截面。

所述的步骤5）中，倾斜率按照如下方式计算：

其中，i为两个水平等高截面之间的塔筒倾斜率（‰），两个水平等高截面的中心坐标分别为：（）和（）。

所述的步骤5）中，倾斜角度按照如下方式计算：

其中，为两个水平等高截面之间的塔筒倾斜角，两个水平等高截面的中心坐标分别为：（）和（）。

本发明的有益效果：本发明提供的这种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，利用三维激光扫描仪可一次性快速获取高耸塔筒表面高密度的三维点云，点云获取易、精度高、速度快，实现点云一次获取多种使用，即可提取塔筒任意高度截面点云数据，计算出高耸塔筒随高度变化的截面几何中心，达到检测塔筒垂直度的目的。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明实施例中的三维激光扫描仪架设示意图。

图2是本发明实施例中的三维激光扫描的高耸塔筒点云效果示意图。

图3是本发明实施例中截面及截面上选取的任意3个点归算几何中心坐标的示意图。

图4是本发明实施例中塔筒垂直度计算俯视图。

图5是本发明实施例中塔筒垂直度计算侧视图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，解决高耸塔筒垂直度传统检测中外业实施操作难、精度难控制、费时费力、目标数据准确性差及数据局限性大的弊端。

本发明中所述的三维激光扫描是指：利用地面三维激光扫描仪通过主动发射激光、无需接触即可获得目标体表面三维数据，快速地对目标体实现数字信息化。

实施例1：

本实施例提供一种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，结合图1和图2所示，包括如下步骤：

步骤1）获取点云数据：固位架设三维激光扫描仪，获取塔筒垂直投影1/3圆环段筒身的点云数据；

步骤2）构建TIN模型：将步骤1）得到的点云数据进行预处理，构建塔筒1/3环筒身TIN模型；

步骤3）提取塔筒截面：在步骤2）得到的TIN模型中选取两个塔筒水平等高截面；

步骤4）归算塔筒截面中心坐标：分别在步骤3）的两个塔筒水平等高截面上选取不共线的任意3个点，每一个塔筒水平等高截面上的3个点确定一个唯一的圆平面，归算出两个圆形塔筒水平等高截面的中心坐标；

步骤5）垂直度计算：通过步骤4）得到的两个中心坐标，计算出塔筒的倾斜率和倾斜方向。

本实施例通过上述方法步骤，可计算塔筒纵向与横向倾斜分量、倾斜度，该方法可快速、高精度实现高耸圆形塔筒垂直度检测，对类似工程检测和监测具有重要的现实意义。

实施例2：

在实施例1的基础上，具体地，所述的步骤1）满足以下要求：

a）三维激光扫描仪架设固位点距塔筒水平距离不小于3/2塔筒高度，且应能完整扫描塔筒高度；

b）使用罗盘测定首次架设方位，后续重复架设扫描仪的起始方位应与首次方位一致；

c）每次扫描仪固位架设必须使用对中置平装置，保证扫描仪水平；

d）每次扫描先进行快速全景粗扫，然后对目标塔筒进行精细扫描。

实施例3：

在上述两个实施例中，所述的步骤3）中选取的两个塔筒水平等高截面应该为所要测量垂直度的那一段塔筒的上下截面。根据所要测量的塔筒段来选取水平等高截面，应该为所要测量的塔筒段的上截面和下截面。

如果所要测量的塔筒段为整个塔筒，那么，所述的步骤3）中选取的两个塔筒水平等高截面为塔筒的顶部截面和底部截面，通过顶部截面和底部截面中的数据计算，可算得整个塔筒的垂直度。

实施例4：

所述的步骤5）中，倾斜率按照如下方式计算：

其中，i为两个水平等高截面之间的塔筒倾斜率（‰），两个水平等高截面的中心坐标分别为：（）和（）。

所述的步骤5）中，倾斜方向按照如下方式计算：

其中，为两个水平等高截面之间的塔筒倾斜方向，两个水平等高截面的中心坐标分别为：（）和（）。

具体地，所属垂直度的计算过程如下：

步骤1）获取点云数据：

a）选择架设三维激光扫描仪的固位点并做永久标记，仪器扫描位置距塔筒水平距离不小于3/2塔筒高度h,如图1所示；

b）使用罗盘测定首次架设方向指向北方位或某一方位，后续重复架设扫描仪的起始方位应与首次方位一致；

c）每次扫描仪须使用对中置平装置固定安置在首选点上，且务必保证扫描仪水平；

d）每次扫描无需布设标靶，先快速全景粗扫，然后对目标塔筒进行精细扫描，一次性获取塔筒垂直投影1/3圆环段筒身的点云数据，如图2所示。

步骤2）提取塔筒截面：

将点云数据进行预处理，构建塔筒1/3环筒身TIN模型，根据塔筒顶部与底部点云拟合出圆形塔筒上下中心，提取过圆形塔筒任意点的塔筒水平等高截面，如图3所示；

步骤3）归算圆形塔筒截面几何中心坐标：

塔筒截面不共线的任意3点可确定一个圆形平面，得到一个3点与圆心的平面方程，可归算出塔筒截面的中心坐标。如图3所示，空间三点的坐标为1（X₁,Y₁,Z₁），2(X₂,Y₂,Z₂)，3(X₃,Y₃,Z₃)，圆心坐标O（X₀,Y₀,Z₀）和圆半径r。

a.根据点到圆心的距离为半径，则有：

b.三点确定的平面方程为：

⑷

其中：

：

⑸

记：

:

⑹

记：

由⑷、⑸、⑹得：

圆心坐标为：

半径：

步骤4）垂直度计算：如图4和图5所示，通过得到的圆形塔筒底部与顶部中心坐标，计算塔筒纵向与横向倾斜分量及倾斜度；或通过得到的圆形塔筒底部与顶部中心坐标、任意部位的中心坐标，计算塔筒弯曲度。

如图4所示，在得到圆形建筑物底部中心O₁的坐标(X_O1,Y_O1,Z_O1)和顶部中心O₂的坐标(X_O2,Y_O2,Z_O2)后 ,可以计算纵向倾斜分量和横向倾斜分量,即

总倾斜量:

如图5所示，通过塔筒高度H计算倾斜率i，则有：

H=Z_O1-Z_O2

倾斜方向:

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1）获取点云数据：固位架设三维激光扫描仪，获取塔筒垂直投影1/3圆环段筒身的点云数据；

步骤2）构建TIN模型：将步骤1）得到的点云数据进行预处理，构建塔筒1/3环筒身TIN模型；

步骤3）提取塔筒截面：在步骤2）得到的TIN模型中选取两个塔筒水平等高截面；

步骤4）归算塔筒截面中心坐标：分别在步骤3）的两个塔筒水平等高截面上选取不共线的任意3个点，每一个塔筒水平等高截面上的3个点可确定一个唯一的圆平面，归算出两个圆形塔筒水平等高截面的中心坐标；

步骤5）垂直度计算：通过步骤4）得到的两个中心坐标，计算出塔筒的倾斜率和倾斜方向。

2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，其特征在于：所述的步骤1）满足以下要求：

a）三维激光扫描仪架设固位点距塔筒水平距离不小于3/2塔筒高度，且应能完整扫描塔筒高度；

b）使用罗盘测定首次架设方向指向北方位或某一方位，后续重复架设扫描仪的起始方位应与首次方位一致；

c）每次扫描仪固位架设必须使用对中置平装置，保证扫描仪水平；

d）每次扫描先进行快速全景粗扫，然后对目标塔筒进行精细扫描。

3.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，其特征在于：所述的步骤3）中选取的两个塔筒水平等高截面为所要测量垂直度的那一段塔筒的上下截面。

4.如权利要求3所述的基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，其特征在于：所述的步骤3）中选取的两个塔筒水平等高截面为塔筒的顶部截面和底部截面。

5.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，其特征在于：所述的步骤5）中，倾斜率按照如下方式计算：

其中，i为两个水平等高截面之间的塔筒倾斜率（‰），两个水平等高截面的中心坐标分别为：（）和（）。

6.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的高耸塔筒垂直度检测方法，其特征在于：所述的步骤5）中，倾斜方向按照如下方式计算：

其中，为两个水平等高截面之间的塔筒倾斜方向，两个水平等高截面的中心坐标分别为：（）和（）。