CN109141266A - 一种钢结构测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构测量方法及系统。所说测量方法包括：获取钢结构三维点云以及钢结构设计图纸的钢结构特征；所述钢结构设计图纸的钢结构特征包括测量特征以及定位特征；以所述测量特征以及所述定位特征作为输入，建立钢结构局部模型；根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征；所述定位结构特征与所述定位特征相匹配；将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征；所述待测的测量特征包括钢结构的球心位置、角点、圆柱体半径、空间姿态角度以及空间几何量。采用本发明所提供的钢结构测量方法及系统能够提高钢结构的测量效率及精度。

Description

一种钢结构测量方法及系统

技术领域

本发明涉及钢结构测量领域，特别是涉及一种钢结构测量方法及系统。

背景技术

建筑钢结构在现代社会日趋兴盛，其相关的安装与变形监测是一项重要内容，现有技术中，可以实现钢结构测量的方法主要有：

1.全站仪法。通过全站仪直接测量结构特征。该方法可以实现简单结构特征的测量，但是对于密集钢结构，存在测量节点多，受观测视角和位置限制，遮挡严重等多种缺点，一般无法解决密集复杂钢结构测量问题。

2.激光扫描法。通过激光扫描获取的点云来拟合局部特征建模获取结构特征的位置及姿态。这种方法存在诸多缺陷，一是手动拟合特征受操作者经验限制，效率低，精度无法保障；二是复杂结构一般遮挡严重，存在死角多，很多待测量结构点云都是非完整点云，甚至严重缺失，无法获取准确测量特征；三是点云中存在大量噪声也给测量带来了困难。

由上可知，采用传统测量方法难以完成密集复杂的钢结构测量任务，三维激光扫描方法能够快速获取钢结构三维点云，但是其密集的点云数据无法直接量测或者量测精度过低，往往需要通过特征拟合及提取才能够实现精确量测，耗时耗力，而且由于钢结构三维点云存在遮挡等原因导致点云不完整，由于特征拟合的精度与点云的质量密切相关，在特征拟合的精度方面也具有不确定性，因此给结构特征的精确测量带来许多问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢结构测量方法及系统，以解决现有技术中测量密集钢结构的效率及精度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种钢结构测量方法，包括：

获取钢结构三维点云以及钢结构设计图纸的钢结构特征；所述钢结构设计图纸的钢结构特征包括测量特征以及定位特征；所述测量特征为待测球心、待测角点、待测局部表面形心、待测待定柱径以及柱姿态角；所述定位特征为定位球心、定位角点、定位局部表面形心以及定位待定柱径；所述测量特征与所述定位特征相对应；

以所述测量特征以及所述定位特征作为输入，建立钢结构局部模型；所述钢结构局部模型包括单一模型以及组合模型；所述单一模型为球体模型、长方体模型或柱体模型；所述组合模型包括多个所述单一模型的组合或不规则多面体；所述不规则多面体包括工字钢、槽型钢以及箱型钢构；

根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征；所述定位结构特征与所述定位特征相匹配；

将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征；所述待测的测量特征包括钢结构的球心位置、角点、圆柱体半径、空间姿态角度以及空间几何量。

可选的，所述根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征，具体包括：

对所述钢结构三维点云进行整体去噪处理，得到去噪后的钢结构三维点云；

对所述去噪后的钢结构三维点云进行划分，确定空间栅格；

根据所述空间栅格确定所述钢结构三维点云的法向以及曲率信息；

根据所述法向以及所述曲率信息确定基本几何形体点云；所述基本几何形体点云包括平面、球面以及曲线；

根据所述基本几何形体点云拟合生成基本几何体以及表面，并与所述空间栅格关联，确定关联基本几何体；所述关联基本几何体为与所述空间栅格关联的基本几何体；所述基本几何体包括平面片、球体以及圆柱；

根据所述关联基本几何体确定定位结构特征。

可选的，所述将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征，具体包括：

在所述钢结构局部模型的整体尺度范围内，遍历所述关联基本几何体确定匹配特征；所述匹配特征包括空间距离、尺度以及法向夹角；

按照所述匹配特征，对所述钢结构局部模型进行七参数空间变换至所述钢结构三维点云所对应的位置，确定转换后的钢结构局部模型；

根据所述定位结构特征，采用最近点迭代算法对所述关联基本几何体以及所述转换后的钢结构局部模型进行匹配，确定匹配后的钢结构局部模型；

根据所述匹配后的钢结构局部模型确定待测的测量特征。

一种钢结构测量系统，包括：

三维点云以及钢结构特征获取模块，用于获取钢结构三维点云以及钢结构设计图纸的钢结构特征；所述钢结构设计图纸的钢结构特征包括测量特征以及定位特征；所述测量特征为待测球心、待测角点、待测局部表面形心、待测待定柱径以及柱姿态角；所述定位特征为定位球心、定位角点、定位局部表面形心以及定位待定柱径；所述测量特征与所述定位特征相对应；

钢结构局部模型建立模块，用于以所述测量特征以及所述定位特征作为输入，建立钢结构局部模型；所述钢结构局部模型包括单一模型以及组合模型；所述单一模型为球体模型、长方体模型或柱体模型；所述组合模型包括多个所述单一模型的组合或不规则多面体；所述不规则多面体包括工字钢、槽型钢以及箱型钢构；

定位结构特征确定模块，用于根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征；所述定位结构特征与所述定位特征相匹配；

待测的测量特征输出模块，用于将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征；所述待测的测量特征包括钢结构的球心位置、角点、圆柱体半径、空间姿态角度以及空间几何量。

可选的，所述定位结构特征确定模块具体包括：

去噪处理单元，用于对所述钢结构三维点云进行整体去噪处理，得到去噪后的钢结构三维点云；

空间栅格确定单元，用于对所述去噪后的钢结构三维点云进行划分，确定空间栅格；

法向及曲率信息确定单元，用于根据所述空间栅格确定所述钢结构三维点云的法向以及曲率信息；

基本几何形体点云确定单元，用于根据所述法向以及所述曲率信息确定基本几何形体点云；所述基本几何形体点云包括平面、球面以及曲线；

关联基本几何体确定单元，用于根据所述基本几何形体点云拟合生成基本几何体以及表面，并与所述空间栅格关联，确定关联基本几何体；所述关联基本几何体为与所述空间栅格关联的基本几何体；所述基本几何体包括平面片、球体以及圆柱；

定位结构特征确定单元，用于根据所述关联基本几何体确定定位结构特征。

可选的，所述待测的测量特征输出模块具体包括：

匹配特征确定单元，用于在所述钢结构局部模型的整体尺度范围内，遍历所述关联基本几何体确定匹配特征；所述匹配特征包括空间距离、尺度以及法向夹角；

钢结构局部模型确定单元，用于按照所述匹配特征，对所述钢结构局部模型进行七参数空间变换至所述钢结构三维点云所对应的位置，确定转换后的钢结构局部模型；

钢结构局部模型匹配单元，用于根据所述定位结构特征，采用最近点迭代算法对所述关联基本几何体以及所述转换后的钢结构局部模型进行匹配，确定匹配后的钢结构局部模型；

待测的测量特征确定单元，用于根据所述匹配后的钢结构局部模型确定待测的测量特征。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种钢结构测量方法及系统，对于钢结构设计图纸的钢结构特征建立钢结构局部模型，在所述钢结构局部模型的基础上，根据定点特征在钢结构三维点云内确定定位结构特征，本发明以钢结构设计图纸的钢结构特征为基准，在进行特征测量时，不依赖于钢结构的三维点云特征，不需要对三维点云特征通过特征拟合及提取以实现钢结构特征的精确测量，只需在三维点云内确定与钢结构局部模型的定位特征相匹配的定位结构特征，本发明所提供的钢结构测量方法及系统极大地削弱了三维点云的质量影响，从而避免了因点云局部遮挡或者不完整带来的误差，提高了密集钢结构的测量效率及精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的钢结构测量方法流程图；

图2为本发明所提供的钢结构测量系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种钢结构测量方法及系统，能够提高密集钢结构的测量效率及精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的钢结构测量方法流程图，如图1所示，一种钢结构测量方法，包括：

步骤101：获取钢结构三维点云以及钢结构设计图纸的钢结构特征；所述钢结构设计图纸的钢结构特征包括测量特征以及定位特征；所述测量特征为待测球心、待测角点、待测局部表面形心、待测待定柱径以及柱姿态角；所述定位特征为定位球心、定位角点、定位局部表面形心以及定位待定柱径；所述测量特征与所述定位特征相对应。

通过现有三维测量手段(如地面激光扫描、低空无人机等)获取建筑钢结构三维点云。

步骤102：以所述测量特征作及定位特征为输入，建立钢结构局部模型；所述钢结构局部模型包括单一模型以及组合模型；所述单一模型为球体模型、长方体模型或柱体模型；所述组合模型包括多个所述单一模型的组合或不规则多面体；所述不规则多面体包括工字钢、槽型钢以及箱型钢构。

通过设计图或者是现有钢结构精细测量数据构建局部模型，局部模型包含主要的测量特征及定位特征。

构建局部模型的方法：

依据设计图或者实际钢结构确定局部模型的具体范围及形态，模型可分为单一模型及组合模型，单一模型为球体、长方体(正方体)、柱体等；组合模型可为单一模型组合或者是其它不规则多面体(如工字钢、槽型钢、箱型等)。

在建模软件中设定局部坐标系，按照设计造型和尺寸构建模型。模型有几点基本要求：a)能够表现目标外形的主要外表面并且能通过主要表面特征能够确定模型的空间位置姿态；b)内部主要几何元素相对几何关系及几何尺度与标准参照保持一致；c)包含明确的待测量特征(如球心、角点、局部表面形心、待定柱径等)。

定位特征是指能将模型在空间的位置及三维的朝向完全确定的特征，具体确定方法描述如下：

对于球体，其定位特征为球心。

对于线性目标，如圆柱、工字钢、箱型钢等，需要端口面、轴向，有平面特征的必须包含平面特征。

其它复杂组合及目标，主要选择面积较大的平面、球面及特定参数曲面作为定位特征。

以上定位特征中，法向平行的平面只能算1个定位特征，完成模型的空间定位，可用多种组合特征来完成(球体除外)，常见的最小组合特征包含：3个球、1个球+2个平面、1个球+1个圆柱、3个平面等。特征越多定位越准。

步骤103：根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征；所述定位结构特征与所述定位特征相匹配。

通过定位特征在钢结构点云中搜索典型的类似定位特征并确定符合定位特征的定位结构特征。

寻找定位特征的定位结构特征的过程如下：

1)对点云进行整体去噪声并划分为接近最小模型表面尺度的空间栅格单元。

2)以空间栅格为单位计算点云的法向及曲率信息，通过法向及曲率等信息结合局部模型的参数(曲率、长度等)探测待测点云内部所有符合构造模型的基本几何形体点云(如平面、球面、其它曲面)。

3)拟合生成相应的基本几何体(球体、圆柱)及表面(平面)并与空间栅格关联，确定符合定位特征的定位结构特征。

步骤104：将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征；所述待测的测量特征包括钢结构的球心位置、角点、圆柱体半径、空间姿态角度以及空间几何量。

通过定位结构特征与局部特征模型匹配，得到钢结构局部特征的准确位置。通过定位后的局部模型，输出待定的测量特征。

局部模型与点云匹配的过程如下：

1)遍历空间栅格关联的基本几何体，在不超过局部模型整体尺度的范围内，匹配符合基本定位条件的特征组合，匹配的主要条件包括：特征的空间距离、特征的尺度(长度、半径等)、特征法向的夹角(平面及直线特征)。

2)将局部模型按照匹配特征进行七参数空间变换至点云相应位置。

3)对拟合特征的点云块和局部模型之间采用最近点迭代算法精确匹配模型，转换模型空间姿态。

4)输出模型对应待测量特征值。

在钢结构测量中，常见的特征包含结构角点、球心位置、圆柱体半径及空间姿态角度以及其它指定位置的空间几何量。

采用本发明所提供的钢结构测量方法具有以下优点：一是钢结构一般有很高的局部加工精度，其精确尺寸及模型容易通过设计值或者设备精确测量获取到；二是通过局部精确建模，将现有结构关键特征体现在局部模型上，只要能有适量的局部结构点云，就可以实现特征定位于测量；三是通过特征搜索和定位，能够自动化测量同类特征，大大提高结构测量的效率和精度；通过本发明所提供的钢结构测量方法，可以解决密集钢结构测量中的效率与精度问题，推动该领域的快速发展。

图2为本发明所提供的钢结构测量系统结构图，如图2所示，一种钢结构测量系统，包括：

三维点云以及钢结构特征获取模块201，用于获取钢结构三维点云以及钢结构设计图纸的钢结构特征；所述钢结构设计图纸的钢结构特征包括测量特征以及定位特征；所述测量特征为待测球心、待测角点、待测局部表面形心、待测待定柱径以及柱姿态角；所述定位特征为定位球心、定位角点、定位局部表面形心以及定位待定柱径；所述测量特征与所述定位特征相对应。

钢结构局部模型建立模块202，用于以所述测量特征以及所述定位特征作为输入，建立钢结构局部模型；所述钢结构局部模型包括单一模型以及组合模型；所述单一模型为球体模型、长方体模型或柱体模型；所述组合模型包括多个所述单一模型的组合或不规则多面体；所述不规则多面体包括工字钢、槽型钢以及箱型钢构。

定位结构特征确定模块203，用于根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征；所述定位结构特征与所述定位特征相匹配。

所述定位结构特征确定模块203具体包括：

去噪处理单元，用于对所述钢结构三维点云进行整体去噪处理，得到去噪后的钢结构三维点云；

空间栅格确定单元，用于对所述去噪后的钢结构三维点云进行划分，确定空间栅格；

法向及曲率信息确定单元，用于根据所述空间栅格确定所述钢结构三维点云的法向以及曲率信息；

基本几何形体点云确定单元，用于根据所述法向以及所述曲率信息确定基本几何形体点云；所述基本几何形体点云包括平面、球面以及曲线；

关联基本几何体确定单元，用于根据所述基本几何形体点云拟合生成基本几何体以及表面，并与所述空间栅格关联，确定关联基本几何体；所述关联基本几何体为与所述空间栅格关联的基本几何体；所述基本几何体包括平面片、球体以及圆柱；

定位结构特征确定单元，用于根据所述关联基本几何体确定定位结构特征。

待测的测量特征输出模块204，用于将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征；所述待测的测量特征包括钢结构的球心位置、角点、圆柱体半径、空间姿态角度以及空间几何量。

所述待测的测量特征输出模块204具体包括：

匹配特征确定单元，用于在所述钢结构局部模型的整体尺度范围内，遍历所述关联基本几何体确定匹配特征；所述匹配特征包括空间距离、尺度以及法向夹角；

钢结构局部模型确定单元，用于按照所述匹配特征，对所述钢结构局部模型进行七参数空间变换至所述钢结构三维点云所对应的位置，确定转换后的钢结构局部模型；

钢结构局部模型匹配单元，用于根据所述定位结构特征，采用最近点迭代算法对所述关联基本几何体以及所述转换后的钢结构局部模型进行匹配，确定匹配后的钢结构局部模型；

待测的测量特征确定单元，用于根据所述匹配后的钢结构局部模型确定待测的测量特征。

本发明提出一种钢结构测量方法及系统，该钢结构测量方法为基于正向建模的测量方法，对钢结构测量的局部特征，按照结构设计的图纸或者实测尺寸进行精确建模，在钢结构局部模型基础上，提取必要的特征组合作为模型结构定位定向基准，在此基础上，以模型钢结构局部基准为目标，在点云中自动搜索类似结构特征进行匹配，匹配完成后，以模型特征姿态及位置作为实际测量的结果，该方法具有快速、准确、实时的特性，避免了因点云局部遮挡或者不完整带来的误差，与全局结构点云进行匹配也能够实现特征的精确匹配，提高点云中钢结构特征测量的精度及自动化程度，实现钢结构点云快速精确测量，在建筑钢结构施工安装及变形监测等领域有广泛的应用前景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法向对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种钢结构测量方法，其特征在于，包括：

获取钢结构三维点云以及钢结构设计图纸的钢结构特征；所述钢结构设计图纸的钢结构特征包括测量特征以及定位特征；所述测量特征为待测球心、待测角点、待测局部表面形心、待测待定柱径以及柱姿态角；所述定位特征为定位球心、定位角点、定位局部表面形心以及定位待定柱径；所述测量特征与所述定位特征相对应；

以所述测量特征以及所述定位特征作为输入，建立钢结构局部模型；所述钢结构局部模型包括单一模型以及组合模型；所述单一模型为球体模型、长方体模型或柱体模型；所述组合模型包括多个所述单一模型的组合或不规则多面体；所述不规则多面体包括工字钢、槽型钢以及箱型钢构；

根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征；所述定位结构特征与所述定位特征相匹配；

将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征；所述待测的测量特征包括钢结构的球心位置、角点、圆柱体半径、空间姿态角度以及空间几何量。

2.根据权利要求1所述的钢结构测量方法，其特征在于，所述根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征，具体包括：

对所述钢结构三维点云进行整体去噪处理，得到去噪后的钢结构三维点云；

对所述去噪后的钢结构三维点云进行划分，确定空间栅格；

根据所述空间栅格确定所述钢结构三维点云的法向以及曲率信息；

根据所述法向以及所述曲率信息确定基本几何形体点云；所述基本几何形体点云包括平面、球面以及曲线；

根据所述基本几何形体点云拟合生成基本几何体以及表面，并与所述空间栅格关联，确定关联基本几何体；所述关联基本几何体为与所述空间栅格关联的基本几何体；所述基本几何体包括平面片、球体以及圆柱；

根据所述关联基本几何体确定定位结构特征。

3.根据权利要求2所述的钢结构测量方法，其特征在于，所述将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征，具体包括：

在所述钢结构局部模型的整体尺度范围内，遍历所述关联基本几何体确定匹配特征；所述匹配特征包括空间距离、尺度以及法向夹角；

按照所述匹配特征，对所述钢结构局部模型进行七参数空间变换至所述钢结构三维点云所对应的位置，确定转换后的钢结构局部模型；

根据所述定位结构特征，采用最近点迭代算法对所述关联基本几何体以及所述转换后的钢结构局部模型进行匹配，确定匹配后的钢结构局部模型；

根据所述匹配后的钢结构局部模型确定待测的测量特征。

4.一种钢结构测量系统，其特征在于，包括：

三维点云以及钢结构特征获取模块，用于获取钢结构三维点云以及钢结构设计图纸的钢结构特征；所述钢结构设计图纸的钢结构特征包括测量特征以及定位特征；所述测量特征为待测球心、待测角点、待测局部表面形心、待测待定柱径以及柱姿态角；所述定位特征为定位球心、定位角点、定位局部表面形心以及定位待定柱径；所述测量特征与所述定位特征相对应；

钢结构局部模型建立模块，用于以所述测量特征以及所述定位特征作为输入，建立钢结构局部模型；所述钢结构局部模型包括单一模型以及组合模型；所述单一模型为球体模型、长方体模型或柱体模型；所述组合模型包括多个所述单一模型的组合或不规则多面体；所述不规则多面体包括工字钢、槽型钢以及箱型钢构；

定位结构特征确定模块，用于根据所述定位特征在所述钢结构三维点云内确定定位结构特征；所述定位结构特征与所述定位特征相匹配；

待测的测量特征输出模块，用于将所述定位结构特征输入所述钢结构局部模型，输出待测的测量特征；所述待测的测量特征包括钢结构的球心位置、角点、圆柱体半径、空间姿态角度以及空间几何量。

5.根据权利要求4所述的钢结构测量系统，其特征在于，所述定位结构特征确定模块具体包括：

去噪处理单元，用于对所述钢结构三维点云进行整体去噪处理，得到去噪后的钢结构三维点云；

空间栅格确定单元，用于对所述去噪后的钢结构三维点云进行划分，确定空间栅格；

法向及曲率信息确定单元，用于根据所述空间栅格确定所述钢结构三维点云的法向以及曲率信息；

基本几何形体点云确定单元，用于根据所述法向以及所述曲率信息确定基本几何形体点云；所述基本几何形体点云包括平面、球面以及曲线；

关联基本几何体确定单元，用于根据所述基本几何形体点云拟合生成基本几何体以及表面，并与所述空间栅格关联，确定关联基本几何体；所述关联基本几何体为与所述空间栅格关联的基本几何体；所述基本几何体包括平面片、球体以及圆柱；

定位结构特征确定单元，用于根据所述关联基本几何体确定定位结构特征。

6.根据权利要求5所述的钢结构测量系统，其特征在于，所述待测的测量特征输出模块具体包括：

匹配特征确定单元，用于在所述钢结构局部模型的整体尺度范围内，遍历所述关联基本几何体确定匹配特征；所述匹配特征包括空间距离、尺度以及法向夹角；

钢结构局部模型确定单元，用于按照所述匹配特征，对所述钢结构局部模型进行七参数空间变换至所述钢结构三维点云所对应的位置，确定转换后的钢结构局部模型；

钢结构局部模型匹配单元，用于根据所述定位结构特征，采用最近点迭代算法对所述关联基本几何体以及所述转换后的钢结构局部模型进行匹配，确定匹配后的钢结构局部模型；

待测的测量特征确定单元，用于根据所述匹配后的钢结构局部模型确定待测的测量特征。