CN109978791A - 一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，涉及桥梁监测方法领域，为解决现有技术中的桥梁全貌三维信息难以完整性采集，受地面生产环境条件的约束限制强的问题。一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，包括以下步骤：步骤一：基准点布设与测量，像控点布设与测量；步骤二：三维激光扫描测量中制定扫描方案；步骤三：三维激光扫描测量中外业扫描；步骤四：三维激光扫描测量中点云去噪；步骤五：三维激光扫描测量中点云数据配准；步骤六：倾斜摄影测量中航线设计与飞行；步骤七：倾斜摄影测量中影像噪声去除；步骤八：倾斜摄影测量中空三加密；步骤九：倾斜摄影测量中密集匹配。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁监测方法领域，具体为一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法。
背景技术
传统桥梁变形监测以几何水准、静力水准、引张线或光学几何观测为主，对桥梁主体的变形数据采集直观性不强，难以描述细部变化信息。传统监测方法是通过连续和定期的单点观测，对多期观测数据进行对比分析，完成对桥梁安全性的确定，但是在对桥梁整体变形或任意位置的变形情况无法准确获取。倾斜摄影和三维激光扫描技术凭借其独特的数据获取方式，方便、快速、全面地获取桥梁表面的三维数据，精度均匀、密度高，可以很明显地反映出桥梁表面的细节变化，便于整体从形态上分析和评价变形。因此，在桥梁变形监测方面具有广阔的应用前景。
三维激光扫描在地面上以一定的角度扫描，直接获取桥梁的表面三维坐标，形成激光点云数据，但难以实现桥梁全貌三维信息完整性采集，倾斜摄影测量则具备了灵活的空对地观测视角，受地面生产环境条件的约束限制较弱，能有效采集到地面三维激光扫描盲区数据；因此市场急需研制一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法来帮助人们解决现有的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，以解决上述背景技术中提出的桥梁全貌三维信息难以完整性采集，受地面生产环境条件的约束限制强的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，包括以下步骤：
步骤一：基准点布设与测量，像控点布设与测量；
步骤二：三维激光扫描测量中制定扫描方案；
步骤三：三维激光扫描测量中外业扫描；
步骤四：三维激光扫描测量中点云去噪；
步骤五：三维激光扫描测量中点云数据配准；
步骤六：倾斜摄影测量中航线设计与飞行；
步骤七：倾斜摄影测量中影像噪声去除；
步骤八：倾斜摄影测量中空三加密；
步骤九：倾斜摄影测量中密集匹配；
步骤十：点云融合；
步骤十一：三维模型建立；
步骤十二：监测信息提取。
作为本发明的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法优选技术方案，所述步骤一中，基准点和像控点测量坐标为三维坐标。
作为本发明的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法优选技术方案，所述步骤三中，通过精细扫描标靶作为点云内业处理的控制点。
作为本发明的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法优选技术方案，所述步骤四中，对原始扫描点云数据进行简化压缩处理，提取桥梁数据。
作为本发明的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法优选技术方案，所述步骤五中，点云数据配准结合两种配准方法，一种是基于特征点的配准方法，另一种是基于无特征点的配准方法。
作为本发明的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法优选技术方案，所述步骤六中，航向重叠度保持在80％以上，旁向重叠度在60％以上，航线按照桥梁走向直线方法布设，航线覆盖超出测区边界线至少200m。
作为本发明的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法优选技术方案，所述步骤八中，联合倾斜摄影影像数据及外业像控测量数据进行多视影像空三加密将全部区域纳入到已知的控制点地面坐标系中去，获得每张影像的外方位元素和加密点的地面坐标。
作为本发明的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法优选技术方案，所述步骤十中，以三维激光点云为基准，采用ICP算法和人工配准相结合的方法，进行配准。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该发明中采用非接触式测量的方式，无需接触实体表面，快速采集桥梁表面三维信息，极大地降低数据采集工作的劳动强度，实现了数据的自动化采集，同时还降低了对检测人员的业务素质的要求，避免了像传统日常检测结果往往受人为主观因素影响，提高了结果的真实性；
2、该发明中地面三维激光点云的高精度可以弥补倾斜摄影近地面区域精度偏低的缺陷，而空中无人机倾斜摄影则弥补了三维激光顶部扫描盲区和影像获取视角不够广的缺陷，将两种方法的点云进行融合，实现了空中航空影像与地面三维激光点云的“空地联合”，有效改善了三维模型的建模效果，建模精度更加均匀可靠，全方位无死角获取桥梁的完整表面坐标信息，可以真实反映桥梁的变形信息。同时倾斜摄影可以获取桥梁的高清影像，可以为各部件裂缝、磨损、混凝土腐蚀等现状提供监测信息
附图说明
图1为本发明的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法的监测方法图。
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。
请参阅图1，本发明提供的一种实施例：一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，包括以下步骤：
步骤一：基准点布设与测量，像控点布设与测量，在测区范围内，像控点设置应较为明显且容易在影像上清晰识别，最后测出具体三维坐标；
步骤二：三维激光扫描测量中制定扫描方案，将三维激光扫描仪部分测站设置在已知控制点上，对中整平然后再进行扫描；
步骤三：三维激光扫描测量中外业扫描，扫描的过程中通过精细扫描标靶作为点云内业处理的控制点；
步骤四：三维激光扫描测量中点云去噪，对外业采集的点云数据进行处理，主要包括点云去噪，对原始扫描点云数据进行简化压缩处理，提取桥梁数据；
步骤五：三维激光扫描测量中点云数据配准，为避免将扫描对象数据误删，需要对与扫描对象无关的周边点云数据进行多视角充分观察，再选择合适的视角输入快捷命令，进行人工裁剪或直接删除，预处理完成进行点云数据配准，一种是基于特征点的配准方法，另一种是基于无特征点的配准方法，本发明结合采用两种配准方法；
步骤六：倾斜摄影测量中航线设计与飞行，设计合理的航线，确保航向重叠度保持在80％以上，旁向重叠度在60％以上，航线按照桥梁走向直线方法布设，平行于桥梁边界线的首末航线的侧视镜头能够获得桥梁的有效影像，因倾斜摄影相机拍摄角度有限和保证桥梁边缘物体立体成像，航线覆盖超出测区边界线至少200m；
步骤七：倾斜摄影测量中影像噪声去除，对获取的影像进行处理，主要包括去除噪声；
步骤八：倾斜摄影测量中空三加密，联合倾斜摄影影像数据及外业像控测量数据进行多视影像空三加密将全部区域纳入到已知的控制点地面坐标系中，获得每张影像的外方位元素和加密点的地面坐标；
步骤九：倾斜摄影测量中密集匹配，从倾斜影像中抽取大量的密集点云；
步骤十：点云融合，首先将两种点云数据格式转换一致，以三维激光点云为基准，采用ICP算法和人工配准相结合的方法，将倾斜摄影密集点云与三维激光点云进行配准；
步骤十一：三维模型建立；
步骤十二：监测信息提取，从融合点云模型中，对桥梁进行大范围区域分析或者离散监测点的分析。
进一步，步骤一中，基准点和像控点测量坐标为三维坐标，测量需要建立三维模型的三维坐标，要求拍摄影响清晰，且易识别。
进一步，步骤三中，通过精细扫描标靶作为点云内业处理的控制点，建立标准点，扫描的结果能更加精确。
进一步，步骤四中，对原始扫描点云数据进行简化压缩处理，提取桥梁数据，扫描的数据为布设区域内的数据，需要将原始桥梁数据进行提取，从而完成对桥梁的监测。
进一步，步骤五中，点云数据配准结合两种配准方法，一种是基于特征点的配准方法，另一种是基于无特征点的配准方法，两种配种方法相结合，配准精度更高。
进一步，步骤六中，航向重叠度保持在80％以上，旁向重叠度在60％以上，航线按照桥梁走向直线方法布设，因倾斜摄影相机拍摄角度有限，又要保证桥梁边缘物体立体成像，航线覆盖超出测区边界线至少200m，使倾斜摄影相机能够拍摄桥梁边缘物体的立体图像。
进一步，步骤八中，联合倾斜摄影影像数据及外业像控测量数据进行多视影像空三加密将全部区域纳入到已知的控制点地面坐标系中去，获得每张影像的外方位元素和加密点的地面坐标，构建出完整的桥梁影像数据，从而建立三维模型。
进一步，步骤十中，以三维激光点云为基准，采用ICP算法和人工配准相结合的方法，进行配准，能得到高精度的融合点云模型。
为了验证本发明成果的精度，选取桥梁部分特征点采用拓普康MS1005高精度0.5″秒级全站仪进行传统桥梁监测，其成果分别与三维激光扫描测量成果、倾斜摄影测量成果、倾斜摄影和三维激光扫描融合测量成果，进行精度对比。坐标值与坐标差值分别如表1、表2、表3所示。
表1三维激光扫描测量与全站仪实测坐标值及差值
表2倾斜摄影测量与全站仪实测坐标值及差值
表3两种方法融合测量倾斜摄影测量与全站仪实测坐标值及差值
由表1可以得出，三维激光扫描仪与全站仪坐标差值绝对值最大为3mm，可见采用三维激光扫描与0.5″秒全站仪的精度大致相当，可满足毫米级观测精度要求；由表2可以得出，倾斜摄影与全站仪测量坐标差值在容许范围内，可以满足桥梁监测要求；基于无人机倾斜摄影和三维激光融合测量与全站仪测量精度相当，且精度明显优于单纯采用倾斜摄影进行桥梁监测。
工作原理：在测区范围内布设合适的基准点、像控点，将三维激光扫描仪部分测站设置在已知控制点上，对中整平然后再进行扫描，在扫描的过程中通过精细扫描标靶作为点云内业处理的控制点，对外业采集的点云数据进行点云去噪处理，对原始扫描点云数据进行大致简化压缩处理，提取桥梁数据，需要对与扫描对象无关的周边点云数据进行多视角充分观察，选择合适的视角输入快捷命令，进行人工裁剪或直接删除，预处理完成进行点云数据配准，本发明结合采用两种配准方法，设计合理的航线，确保航向重叠度保持在80％以上，旁向重叠度在60％以上，航线按照桥梁走向直线方法布设，平行于桥梁边界线的首末航线的侧视镜头能够获得桥梁的有效影像，对获取的影像进行去除噪声处理，联合倾斜摄影影像数据及外业像控测量数据进行多视影像空三加密将全部区域纳入到已知的控制点地面坐标系中去，获得每张影像的外方位元素和加密点的地面坐标，再通过密集匹配从倾斜影像中抽取了大量的密集点云，将两种点云数据格式转换一致，以三维激光点云为基准，采用ICP算法和人工配准相结合的方法，将倾斜摄影密集点云与三维激光点云进行配准，从而得到高精度的融合点云模型，从融合点云模型中，对桥梁进行大范围区域分析或者离散监测点的分析。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：基准点布设与测量，像控点布设与测量；
步骤二：三维激光扫描测量中制定扫描方案；
步骤三：三维激光扫描测量中外业扫描；
步骤四：三维激光扫描测量中点云去噪；
步骤五：三维激光扫描测量中点云数据配准；
步骤六：倾斜摄影测量中航线设计与飞行；
步骤七：倾斜摄影测量中影像噪声去除；
步骤八：倾斜摄影测量中空三加密；
步骤九：倾斜摄影测量中密集匹配；
步骤十：点云融合；
步骤十一：三维模型建立；
步骤十二：监测信息提取。
2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，其特征在于：所述步骤一中，基准点和像控点测量坐标为三维坐标。
3.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，其特征在于：所述步骤三中，通过精细扫描标靶作为点云内业处理的控制点。
4.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，其特征在于：所述步骤四中，对原始扫描点云数据进行简化压缩处理，提取桥梁数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，其特征在于：所述步骤五中，点云数据配准结合两种配准方法，一种是基于特征点的配准方法，另一种是基于无特征点的配准方法。
6.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，其特征在于：所述步骤六中，航向重叠度保持在80％以上，旁向重叠度在60％以上，航线按照桥梁走向直线方法布设，航线覆盖超出测区边界线至少200m。
7.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，其特征在于：所述步骤八中，联合倾斜摄影影像数据及外业像控测量数据进行多视影像空三加密将全部区域纳入到已知的控制点地面坐标系中去，获得每张影像的外方位元素和加密点的地面坐标。
8.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影和三维激光扫描融合的桥梁监测方法，其特征在于：所述步骤十中，以三维激光点云为基准，采用ICP算法和人工配准相结合的方法，进行配准。
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