CN107490345A - 一种基于三维激光扫描的高耸塔筒弯曲度检测方法 - 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弯曲度检测方法，该方法包括：1）仪器固位方式以塔筒为中心环绕对称设置，获取塔筒筒身点云数据；2）构建筒身TIN模型，选取塔筒截面，拟合塔筒中心轴线；3）在截面边缘周长上按逆（或顺）时针方向任意或定间隔选取n个点，归算出塔筒截面的重心坐标；4）通过得到的塔筒截面重心坐标，按相邻截面计算塔筒弯曲位移分量、弯曲位移合量、弯曲平均曲率。该方法解决了高耸塔筒弯曲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弯曲度检测，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弯曲度检测方法

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弯曲度检测方法。

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、弯曲、扭曲等变形，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弯曲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弯曲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弯曲度检测方法，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，构建塔筒筒身TIN模型；

步骤3）选取塔筒截面：在步骤2）得到的TIN模型中选取两个塔筒水平等高截面，然后按等高间距在选取的两个塔筒水平等高截面之间确定m个塔筒筒身水平等高截面；

步骤4）拟合塔筒中心轴线：分别在步骤3）的各个塔筒截面边缘周长上按逆或顺时针方向任意或定间隔选取n点，，确定并归算出各个塔筒截面的重心位置及坐标，依次连接相邻各个塔筒截面重心坐标位置形成塔筒中心轴线；

步骤5）弯曲度计算：通过步骤4）得到的塔筒中心轴线及截面重心坐标，计算出塔筒的弯曲位移合量和弯曲平均曲率。

所述的步骤1）满足以下要求：

a）架设三维激光扫描仪的固位点应环绕塔筒四周宜形成对称，固位数量不少于4点，每点距塔筒的水平距离不小于3/2塔筒高度，且应能完整扫描整个塔筒筒身及高度；

b）使用罗盘测定首次首站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）中选取的两个塔筒截面为所要测量弯曲度的局部塔筒的上下截面，选取的塔筒上下截面之间的塔筒水平等高截面为中间任意等高间距确定的水平等高截面。

所述的步骤3）中选取的两个塔筒截面为塔筒的顶部截面和底部截面。

所述的步骤5）中，弯曲位移合量按照如下方式计算：

其中，,2,3，……m，d为塔筒底部到顶部截面的弯曲位移合量，相邻截面重心坐标（,,）和（,,）。

所述的步骤5）中，弯曲平均曲率按照如下方式计算：

其中，,2,3，……m，为塔筒底部到顶部截面之间弯曲平均曲率，相邻截面重心坐标（,,）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弯曲度检测方法，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重心，达到检测塔筒弯曲度的目的。

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高耸塔筒结构示意图。

图2是本发明实施例中的三维激光扫描仪架设示意图。

图3是本发明实施例中确定的塔筒截面及中心轴线示意图（塔筒弯曲）。

图4是本发明实施例中确定的塔筒截面及中心轴线示意图（塔筒扭曲）。

图5是本发明实施例中塔筒弯曲度计算俯视图。

图6是本发明实施例中塔筒弯曲度计算侧视图。

图7是塔筒只有弯曲时弯曲度计算侧视图。

图8是塔筒只有扭曲时弯曲度计算侧视图。

图9是塔筒既弯曲又扭曲时弯曲度计算侧视图。

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弯曲度检测方法，解决高耸塔筒弯曲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高密度的三维点云数据，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弯曲度检测方法，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，构建塔筒筒身TIN模型；

步骤3）选取塔筒截面：在步骤2）得到的TIN模型中选取两个塔筒水平等高截面，然后按等高间距在选取的两个塔筒水平等高截面之间确定m个塔筒筒身水平等高截面；

步骤4）拟合塔筒中心轴线：分别在步骤3）的各个塔筒截面边缘周长上按逆或顺时针方向任意或定间隔选取n点，，确定并归算出各个塔筒截面的重心位置及坐标，依次连接相邻各个塔筒截面重心坐标位置形成塔筒中心轴线；

步骤5）弯曲度计算：通过步骤4）得到的塔筒中心轴线及重心坐标，计算出塔筒的弯曲度

本实施例通过上述方法步骤，可计算塔筒弯曲度，包涵整体和局部、弯曲和扭曲变形，该方法可快速、高精度实现高耸圆形塔筒弯曲度检测，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）架设三维激光扫描仪的固位点应环绕塔筒四周宜形成对称，固位数量不少于4点，每点距塔筒的水平距离不小于3/2塔筒高度，且应能完整扫描整个塔筒筒身及高度；

b）使用罗盘测定首次首站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。

实施例3：

在上述两个实施例中，所述的步骤3）中选取的某两个塔筒截面为所要测量弯曲度的局部塔筒的上下截面。根据所要测量的局部塔筒来选取水平等高截面，应该为所要测量的局部塔筒的上截面和下截面。

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之间的中心轴线及数据，可算得整个塔筒的弯曲度。

实施例4：

所述的步骤5）中，弯曲位移合量按照如下方式计算：

其中，,2,3,……m，d为塔筒底部到顶部截面的弯曲位移合量，相邻截面重心坐标（,,）和（,,）。

所述的步骤5）中，弯曲平均曲率按照如下方式计算：

其中，,2,3,……m，为塔筒底部到顶部截面之间弯曲平均曲率，相邻截面重心坐标（,,）和（,,）。

具体地，所属弯曲度的计算过程如下：

步骤1）获取点云数据：

a）架设三维激光扫描仪的固位点应环绕塔筒四周宜形成对称（如图2所示），固位数量不少于4点，每点距塔筒的水平距离不小于3/2塔筒高度，且应能完整扫描整个塔筒筒身及高度；

b）使用罗盘测定首次首站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，一次性获取塔筒筒身的点云数据。

步骤2）选取塔筒截面：

将点云数据进行预处理，构建塔筒筒身TIN模型，根据塔筒顶部与底部两个边沿截面点云拟合出塔筒上下重心，按等高间距选取塔筒筒身m个水平等高截面，确定并归算出各个塔筒截面的重心位置及坐标，依次连接相邻各个塔筒截面重心坐标位置形成塔筒中心轴线，如图3和图4所示；

步骤3）归算塔筒截面重心坐标：

在确定的第i个截面边缘周长上按逆（或顺）时针方向任意或定间隔选取n点，即A₁A₂……A_n，点（,,）,截面的重心坐标（,,）,水平截面上，则有：

其中，,2,3，……m,,2,3，……,，选取的截面边缘点越多，重心位置越接近。

步骤4）弯曲度计算：如图5和图6所示，通过得到的塔筒截面重心坐标，按相邻截面计算塔筒弯曲位移分量、弯曲位移合量、弯曲平均曲率；或通过得到的圆形塔筒底部与顶部重心坐标、任意部位的重心坐标，计算塔筒局部弯曲度。

如图5所示，在得到相邻截面重心坐标（,,）和（,,）后 ,可以通过计算投影到xoy平面上相邻截面间弯曲位移分量，继而得到塔筒底部到顶部截面的弯曲位移合量d，即

弯曲位移量:

弯曲位移合量:

（,2,3，……m）

如图6所示，发生弯曲变形，即在yoz平面上过各截面重心与塔筒中心轴线相切线的斜率，继而得到塔筒底部到顶部截面的弯曲平均曲率,因相邻截面间距微小，可将截面间弧线忽略计为直线，则有：

发生扭曲变形时，可考虑两种情况：一是直接发生扭曲，没有弯曲；二是既弯曲与扭曲同时发生。

以底部为基准，由下到上，过各截面重心与塔筒中心轴线相切线的斜率依次变小，则表明发生弯曲,如图7所示；先变小后变大，则既弯曲又发生扭曲,如图8所示,扭曲中心为截面重心与标准轴线距离L最大处，如图9所示。

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弯曲度检测方法，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，构建塔筒筒身TIN模型；

步骤3）选取塔筒截面：在步骤2）得到的TIN模型中选取两个塔筒水平等高截面，然后按等高间距在选取的两个塔筒水平等高截面之间确定m个塔筒筒身水平等高截面；

步骤4）拟合塔筒中心轴线：分别在步骤3）的各个塔筒截面边缘周长上按逆或顺时针方向任意或定间隔选取n点，，确定并归算出各个塔筒截面的重心位置及坐标，依次连接相邻各个塔筒截面重心坐标位置形成塔筒中心轴线；

步骤5）弯曲度计算：通过步骤4）得到的塔筒中心轴线及截面重心坐标，计算出塔筒的弯曲位移合量和弯曲平均曲率。

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

a）架设三维激光扫描仪的固位点应环绕塔筒四周宜形成对称，固位数量不少于4点，每点距塔筒的水平距离不小于3/2塔筒高度，且应能完整扫描整个塔筒筒身及高度；

b）使用罗盘测定首次首站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弯曲度检测方法，其特征在于：所述的步骤3）中选取的两个塔筒截面为所要测量弯曲度的局部塔筒的上下截面，选取的塔筒上下截面之间的塔筒水平等高截面为中间任意等高间距确定的水平等高截面。

4.如权利要求3所述的基于三维激光扫描的高耸塔筒弯曲度检测方法，其特征在于：所述的步骤3）中选取的两个塔筒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弯曲度检测方法，其特征在于：所述的步骤5）中，弯曲位移合量按照如下方式计算：

其中，,2,3，……m，d为塔筒底部到顶部截面的弯曲位移合量，相邻截面重心坐标（,,）和（,,）。

6.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的高耸塔筒弯曲度检测方法，其特征在于：所述的步骤5）中，弯曲平均曲率按照如下方式计算：

其中，,2,3，……m，为塔筒底部到顶部截面之间弯曲平均曲率，相邻截面重心坐标（,,）和（,,）。