CN112033385A - 一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法 - Google Patents

一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法 Download PDF

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CN112033385A CN202011206385.9A CN202011206385A CN112033385A CN 112033385 A CN112033385 A CN 112033385A CN 202011206385 A CN202011206385 A CN 202011206385A CN 112033385 A CN112033385 A CN 112033385A
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Abstract

本发明提供了一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，在对桥墩进行点云扫描后包括点云按照Z值分层、生成切片影像、影像直线检测、生成桥墩面缓冲区、导出桥墩面点云、生成桥墩基准面和计算桥墩位姿等步骤。本发明的方法对海量点云数据分层处理，在处理桥墩高度大于60m的高墩点云数据时无需打开全部点云数据，对硬件要求低，易用性与普适性较强；数据处理可以实现自动化，无需人为干预即可得到高墩垂直度数据和位姿图，根据桥墩位姿图可以直观地获取高墩面垂直信息；可以测量表面无明显角特征点的、非圆形桥墩以及圆柱形桥墩的垂直度，适应性较强。

Description

一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法
技术领域
本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法。
背景技术
山区高速公路钢混桥墩高度高，跨度大，在桥墩完成浇筑后，必须验收桥墩垂直度等桥墩位姿数据，在验收合格后方能进行桥梁铺设。山区地形复杂多变，用传统方法测量超高桥墩位姿方法需要工程人员亲自上梁测量，危险系数较高且精度难以保证，高桥墩、大仰角垂直度测量较困难。
三维激光扫描技术发展迅速，因其无接触、远距离、高效、和高精度获取被扫描物体表面坐标、颜色和反射率等多元海量点云数据的特性，已经代替了很多传统的单点坐标测取方式。通过该技术进行桥墩的位姿测量已有部分研究，分别通过建模、直线拟合、桥墩特征点连线等方法检测桥墩位姿。但超高桥墩数据量庞大（海量点云），对工作电脑硬件、软件要求较高，导致三维激光扫描方法无法在一般工程工作中进行普及。并且数据处理步骤繁琐，人工干预较多，工作量较大，自动化水平低，人为粗差不可避免。
综上所述，急需一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，具体技术方案如下：
一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，包括以下步骤：
步骤1：扫描桥墩获取调平后相应的点云原始坐标数据
Figure 640270DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤2：按照Z轴方向将
Figure 885307DEST_PATH_IMAGE002
均分为n层，舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心过远和过近的点；各层的数据
Figure 681356DEST_PATH_IMAGE004
按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内，并生成总索引文件用于记录点云文件层数n、各层点云文件的数据量
Figure 670040DEST_PATH_IMAGE006
和各层数据的Z坐标范围
Figure 218833DEST_PATH_IMAGE008
；其中
Figure 775717DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 386958DEST_PATH_IMAGE012
为自然数；
步骤3：删去
Figure 54699DEST_PATH_IMAGE006
<106的层数，剩余总层数m，并更新总索引文件，同时记录总剩余点云中最高点Z坐标
Figure 582633DEST_PATH_IMAGE014
与最低点Z坐标
Figure 44838DEST_PATH_IMAGE016
；
步骤4：设
Figure 874866DEST_PATH_IMAGE018
为最小有效层高，根据步骤3中总索引文件选取
Figure 80720DEST_PATH_IMAGE020
所在的点云层数
Figure 463160DEST_PATH_IMAGE004
，取此Z值范围内的点云D a ，并在XOY面投影，得到
Figure 768370DEST_PATH_IMAGE020
处点云切片平面二值图像
Figure 744416DEST_PATH_IMAGE022
，按比例压缩
Figure DEST_PATH_IMAGE023
得到压缩后图像
Figure DEST_PATH_IMAGE025
；
步骤5：对
Figure 160485DEST_PATH_IMAGE025
进行多尺度Hough变换探测直线对象，生成文件
Figure DEST_PATH_IMAGE027
记录直线探测结果；
步骤6：重复步骤4和步骤5，分别得到
Figure DEST_PATH_IMAGE029
处图像
Figure DEST_PATH_IMAGE031
的直线探测结果文件
Figure DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure DEST_PATH_IMAGE035
处图像
Figure DEST_PATH_IMAGE037
的直线探测结果文件
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，其中b为桥墩设计高度的
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；
步骤7：
Figure 489442DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 886925DEST_PATH_IMAGE044
按照比例放大后记为
Figure 84688DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 897924DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 5688DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 918280DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
中探测直线坐标同时按照比例放大后记为
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
；进一步在每条已探测直线周围设置半径为桥墩设计高度的1‰的缓冲区，缓冲区范围信息存入
Figure 351142DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 436910DEST_PATH_IMAGE062
中；
分别将
Figure 648449DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 325418DEST_PATH_IMAGE062
中每条探测直线的缓冲区面积
Figure 638718DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 528177DEST_PATH_IMAGE066
与
Figure 610534DEST_PATH_IMAGE061
中相同位置探测直线的缓冲区面积
Figure 458404DEST_PATH_IMAGE068
代入公式1）计算重叠度
Figure 154875DEST_PATH_IMAGE070
和
Figure 707079DEST_PATH_IMAGE072
；
重叠度计算公式：
Figure 502997DEST_PATH_IMAGE074
1）；
记录
Figure 865976DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 12924DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 509764DEST_PATH_IMAGE062
中
Figure 550401DEST_PATH_IMAGE076
对应Z值范围的对应直线、直线编号与其缓冲区范围并按照对应Z值范围分别存入文件
Figure 474495DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 108738DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 409270DEST_PATH_IMAGE082
；其中
Figure 55146DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure 884562DEST_PATH_IMAGE086
分别为两条相同位置探测直线的对应缓冲区面积；
步骤8：设
Figure 130735DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure 969378DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure 204182DEST_PATH_IMAGE092
，
Figure 470078DEST_PATH_IMAGE094
；当
Figure 813335DEST_PATH_IMAGE096
时，令
Figure 845881DEST_PATH_IMAGE098
；当
Figure 590984DEST_PATH_IMAGE100
时，令
Figure 103480DEST_PATH_IMAGE102
；
得到Z值区间
Figure 793087DEST_PATH_IMAGE104
、
Figure 239112DEST_PATH_IMAGE106
和
Figure 838721DEST_PATH_IMAGE108
，逐个打开各层点云数据
Figure 711999DEST_PATH_IMAGE004
，根据各层数据的Z坐标范围
Figure DEST_PATH_IMAGE109
分别以
Figure 374055DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 358192DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 202520DEST_PATH_IMAGE082
缓冲区作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
对所有导出的桥墩点云数据进行合并得到桥墩各侧平面点云
Figure DEST_PATH_IMAGE111
，
Figure DEST_PATH_IMAGE113
，
Figure 715541DEST_PATH_IMAGE111
的个数由桥墩面实际扫描个数而定；
步骤9：重复步骤4和步骤5中直线探测，在
Figure 396052DEST_PATH_IMAGE111
中
Figure DEST_PATH_IMAGE115
处探测直线，并将已探测直线的端点
Figure DEST_PATH_IMAGE117
和
Figure DEST_PATH_IMAGE119
，代入垂直于XOY面的平面一般方程
Figure DEST_PATH_IMAGE121
即可求出
Figure 980617DEST_PATH_IMAGE111
中基准面参数A和B，即
Figure DEST_PATH_IMAGE123
；
步骤10：计算
Figure 164605DEST_PATH_IMAGE111
各点坐标到对应基准面距离，并根据距离的大小对应色谱图不同颜色来表示桥墩位姿，得到桥墩位姿图。
以上技术方案中优选的，步骤2中舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心15-25m外和2-10m内的点；所述步骤2中还包括将Z值统一加常数，使得所有点Z坐标值大于0。
以上技术方案中优选的，步骤4中按比例100:1压缩
Figure 114107DEST_PATH_IMAGE022
得到压缩后图像
Figure 140968DEST_PATH_IMAGE025
。
以上技术方案中优选的，步骤4中最小有效层高
Figure 857121DEST_PATH_IMAGE018
取值范围为0.01-1m。
以上技术方案中优选的，步骤5中直线探测时进步尺寸单位半径设置为1像素，单位角度设置为1°，累加平面的阈值参数设置为8像素；文件
Figure 361527DEST_PATH_IMAGE027
记录所有探测直线按照方位顺序的编号和首末端点。
以上技术方案中优选的，步骤7中判断探测直线是否在同一位置判断条件为：分别计算
Figure 747509DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 527246DEST_PATH_IMAGE062
中每条探测直线的中点坐标与
Figure 656876DEST_PATH_IMAGE061
中每条探测直线的中点坐标间距，当间距小于0.1m时认为两探测直线在相同位置。
以上技术方案中优选的，步骤7中
Figure 533565DEST_PATH_IMAGE124
、
Figure 356027DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure DEST_PATH_IMAGE125
按照比例1:100放大后记为
Figure 701689DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 494065DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 631785DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure 625149DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 113899DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 195119DEST_PATH_IMAGE053
中探测直线坐标同时按照比例1:100放大后记为
Figure 452925DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 617190DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 452291DEST_PATH_IMAGE059
。
以上技术方案中优选的，所述步骤8中导出桥墩表面点云数据具体是：
当
Figure DEST_PATH_IMAGE127
、
Figure DEST_PATH_IMAGE129
或
Figure DEST_PATH_IMAGE131
时，分别以对应的
Figure 540463DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 918355DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 987942DEST_PATH_IMAGE082
缓冲区作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
当某层点云
Figure 575918DEST_PATH_IMAGE004
有
Figure DEST_PATH_IMAGE133
时，计算
Figure 857995DEST_PATH_IMAGE004
中属于
Figure DEST_PATH_IMAGE135
和
Figure DEST_PATH_IMAGE137
的占比；其中Z值大于
Figure 431672DEST_PATH_IMAGE135
的点云占比
Figure DEST_PATH_IMAGE139
，Z值小于
Figure 531215DEST_PATH_IMAGE137
的点云占比
Figure DEST_PATH_IMAGE141
，
Figure 950695DEST_PATH_IMAGE004
点云数据按照该占比分层，并分别以对应的
Figure 442987DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 529892DEST_PATH_IMAGE080
区域作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
当某层点云
Figure 206861DEST_PATH_IMAGE004
有
Figure DEST_PATH_IMAGE143
时，计算
Figure 238271DEST_PATH_IMAGE004
中属于
Figure 393308DEST_PATH_IMAGE135
和
Figure DEST_PATH_IMAGE145
的占比；其中Z值大于
Figure 944507DEST_PATH_IMAGE145
的点云占比
Figure DEST_PATH_IMAGE147
，Z值小于
Figure 261218DEST_PATH_IMAGE135
的点云占比
Figure DEST_PATH_IMAGE149
，
Figure 779924DEST_PATH_IMAGE004
点云数据按照该占比分层，并分别以对应的
Figure 738653DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 144358DEST_PATH_IMAGE082
区域作为限定条件导出桥墩表面点云数据。
以上技术方案中优选的，当目标桥墩为圆柱形时，步骤5中使用Hough圆变换检测圆形或椭圆形截面。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
（1）本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法可以测量表面无明显角特征点的、非圆形桥墩的垂直度；当目标桥墩为圆柱形时，可以使用Hough圆变换检测圆形、椭圆形截面，并依步骤得到相应的圆形桥墩位姿图，改变参数同样可以对圆形桥墩垂直度进行检测，适应性较强。
（2）本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法，数据处理可以实现自动化，无需人为干预即可得到高墩垂直度数据和位姿图，根据桥墩位姿图可以直观地获取高墩面垂直信息。
（3）本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法，对海量点云数据分层处理，在处理桥墩高度大于60m的高墩点云数据时无需打开全部点云数据，对硬件要求低，易用性与普适性较强；本发明的测量方法同样适用于高度较低的桥墩，当桥墩高度为较低时，点云分层数与直线搜索所用点云切片影像可以适当减少。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例中一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法流程图；
图2（a）是本发明优选实施例中上层点云切片缓冲区编号图；
图2（b）是本发明优选实施例中中层点云切片缓冲区编号图；
图2（c）是本发明优选实施例中下层点云切片缓冲区编号图；
图2（d）是本发明优选实施例中桥墩点云切片缓冲区重合影像图；
图3是本发明优选实施例中桥墩位姿图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1-3，本实施例提供一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法的具体案例，步骤如下：
步骤1：待测桥墩设计高度65m，采用薄壁空心墩，桥墩水平截面为圆角矩形，矩形长约7.3m，宽约3.0m，三维激光扫描仪架设在距离待扫描高墩约10m处并精确调平，设置高精度扫描高墩，视场内包含桥墩两侧面，导出相应的点云原始坐标数据
Figure 163129DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤2：按照Z轴方向将
Figure 310077DEST_PATH_IMAGE002
均分为10层，舍去X、Y坐标距扫描中心20m外和5m内的点，各层数据
Figure 806917DEST_PATH_IMAGE004
按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内，并生成总索引文件用于记录每个点云文件信息：层数序列、各层点云文件的数据量
Figure 847555DEST_PATH_IMAGE150
和各层数据的Z坐标范围
Figure 37228DEST_PATH_IMAGE152
，Z值由低到高层数依次增加，本实施例中
Figure 671471DEST_PATH_IMAGE154
；其中将Z值统一加常数1000；
步骤3：删去
Figure 972003DEST_PATH_IMAGE006
<106的层数第1层和第10层，剩余总层数8，并更新总索引文件，每层数据约200MB，同时记录总剩余点云中最高点Z坐标
Figure 349370DEST_PATH_IMAGE156
与最低点Z坐标
Figure 772261DEST_PATH_IMAGE158
，
Figure 893801DEST_PATH_IMAGE160
；
步骤4：设
Figure 342231DEST_PATH_IMAGE018
为最小有效层高，本实施例中取0.01m；根据步骤3中总索引文件选取
Figure 232826DEST_PATH_IMAGE162
所在的点云层数第5层
Figure 436406DEST_PATH_IMAGE164
，取此Z值范围内的点云
Figure 248504DEST_PATH_IMAGE166
，并在XOY面投影，得到
Figure 15471DEST_PATH_IMAGE162
处40m*40m点云切片平面二值图像
Figure 760574DEST_PATH_IMAGE022
，图像分辨率200000*200000，其中有点云处像素值为1，无点云处像素值为NaN，按比例100:1压缩
Figure DEST_PATH_IMAGE167
，得到压缩后0.4m*0.4m图像
Figure 72737DEST_PATH_IMAGE025
，分辨率2000*2000；
步骤5：对
Figure 903290DEST_PATH_IMAGE025
进行多尺度Hough变换探测直线对象，直线探测时进步尺寸单位半径设置为1像素，单位角度设置为1°，累加平面的阈值参数设置为8像素；生成文件
Figure 83736DEST_PATH_IMAGE027
记录直线探测结果，即分别记录所有探测直线按照方位顺序的编号和首末端点；
步骤6：重复步骤4和步骤5，分别得到
Figure DEST_PATH_IMAGE169
、
Figure DEST_PATH_IMAGE171
处图像
Figure 276820DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 150098DEST_PATH_IMAGE037
的直线探测结果文件
Figure 340383DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 324520DEST_PATH_IMAGE039
；
步骤7：
Figure 44214DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 88393DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 752593DEST_PATH_IMAGE039
中探测直线坐标同时按照比例1:100放大后记为
Figure 540420DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 114621DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 205068DEST_PATH_IMAGE062
；进一步在每条已探测直线周围设置半径为0.065m的缓冲区，缓冲区范围信息存入
Figure 231930DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 823448DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 252155DEST_PATH_IMAGE062
中，
Figure 762771DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 276929DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 406559DEST_PATH_IMAGE037
按照比例1:100放大后记为
Figure 565139DEST_PATH_IMAGE172
、
Figure 387602DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE173
，并将
Figure 123477DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 915852DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 319152DEST_PATH_IMAGE062
中编号信息标记在相应探测直线旁，参见图2(a)、图2(b)和图2(c)；
分别将
Figure 312515DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 535686DEST_PATH_IMAGE062
中每条探测直线的缓冲区面积
Figure 882485DEST_PATH_IMAGE174
、
Figure DEST_PATH_IMAGE175
与
Figure 874712DEST_PATH_IMAGE061
中相同位置探测直线的缓冲区面积
Figure 898032DEST_PATH_IMAGE176
代入公式1）计算重叠度
Figure DEST_PATH_IMAGE177
和
Figure 608499DEST_PATH_IMAGE178
，重叠度计算结果见表1与表2；判断探测直线是否在同一位置判断条件为：分别计算
Figure 552796DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 399530DEST_PATH_IMAGE062
中每条探测直线的中点坐标与
Figure 734696DEST_PATH_IMAGE061
中每条探测直线的中点坐标间距，当间距小于0.1m时认为两探测直线在相同位置；
重叠度计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE179
1）；
表1
Figure 276667DEST_PATH_IMAGE180
统计
Figure 355481DEST_PATH_IMAGE060
编号		 同处
Figure 712513DEST_PATH_IMAGE061
编号
Figure 953002DEST_PATH_IMAGE064
(m2)
Figure 638061DEST_PATH_IMAGE068
(m2)
Figure 130353DEST_PATH_IMAGE182
(m2)
Figure 217258DEST_PATH_IMAGE180
1<sub>a+b</sub> 1<sub>a</sub> 0.466 0.471 0.430 91.63%
2<sub>a+b</sub> 2<sub>a</sub> 0.901 0.919 0.789 86.73%
3<sub>a+b</sub> 3<sub>a</sub> 1.092 1.081 0.965 88.81%
4<sub>a+b</sub> 4<sub>a</sub> 2.677 2.677 2.488 92.93%
表1中
Figure DEST_PATH_IMAGE183
、
Figure 363069DEST_PATH_IMAGE184
分别为
Figure 660058DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 815096DEST_PATH_IMAGE061
对应缓冲区面积
表2
Figure 756507DEST_PATH_IMAGE072
统计
Figure 479743DEST_PATH_IMAGE062
编号		 同处
Figure 139395DEST_PATH_IMAGE061
编号
Figure DEST_PATH_IMAGE185
(m2)
Figure 832544DEST_PATH_IMAGE184
(m2)
Figure DEST_PATH_IMAGE187
(m2)
Figure 753096DEST_PATH_IMAGE072
1<sub>a-b</sub> 无 0.553 0 0 0%
2<sub>a-b</sub> 无 0.414 0 0 0%
3<sub>a-b</sub> 无 0.695 0 0 0%
4<sub>a-b</sub> 无 0.352 0 0 0%
5<sub>a-b</sub> 无 1.575 0 0 0%
6<sub>a-b</sub> 3<sub>a</sub> 1.060 1.081 1.006 93.93%
7<sub>a-b</sub> 4<sub>a</sub> 2.659 2.677 2.621 98.23%
表2中
Figure 771867DEST_PATH_IMAGE185
、
Figure 653236DEST_PATH_IMAGE188
分别为
Figure 22513DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 938516DEST_PATH_IMAGE061
对应缓冲区面积。
由表1和表2，记录
Figure 128189DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 887066DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 187598DEST_PATH_IMAGE062
中
Figure 958108DEST_PATH_IMAGE076
对应Z值范围的对应直线、直线编号与其缓冲区范围并按照对应Z值范围分别存入文件
Figure 318682DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 50009DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 154231DEST_PATH_IMAGE082
，第一个重叠区域为“
Figure 779247DEST_PATH_IMAGE190
中编号3a+b区域与
Figure 435356DEST_PATH_IMAGE061
中编号3a区域与
Figure 778613DEST_PATH_IMAGE192
中编号6a-b区域”，第二个重叠区域为“
Figure 420947DEST_PATH_IMAGE190
中编号4a+b区域与
Figure 166049DEST_PATH_IMAGE061
中编号4a区域与
Figure 743792DEST_PATH_IMAGE192
中编号7a-b区域”，分别为两侧墩面三维点所在水平面投影区域，参见图2(d)；
步骤8：设
Figure 574345DEST_PATH_IMAGE194
，
Figure 20370DEST_PATH_IMAGE196
，
Figure 885558DEST_PATH_IMAGE198
，
Figure 883469DEST_PATH_IMAGE200
；
有Z值区间
Figure 670160DEST_PATH_IMAGE202
、
Figure 919876DEST_PATH_IMAGE204
、
Figure 514936DEST_PATH_IMAGE206
，逐个打开各层点云文件
Figure 559116DEST_PATH_IMAGE208
，根据步骤2与步骤3中总索引文件记录的Z坐标范围
Figure 98681DEST_PATH_IMAGE210
；
得到
Figure 886509DEST_PATH_IMAGE212
，
Figure 585343DEST_PATH_IMAGE214
，
Figure 800424DEST_PATH_IMAGE216
，
Figure 92865DEST_PATH_IMAGE218
，
Figure 418804DEST_PATH_IMAGE220
，
Figure 743385DEST_PATH_IMAGE222
，
Figure DEST_PATH_IMAGE224
，
Figure DEST_PATH_IMAGE226
，
Figure DEST_PATH_IMAGE228
，
Figure DEST_PATH_IMAGE230
，最后分别以
Figure 191684DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 705842DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 445259DEST_PATH_IMAGE082
缓冲区作为限定条件，导出Z值区间分别在
Figure 994052DEST_PATH_IMAGE137
、
Figure 550936DEST_PATH_IMAGE135
、
Figure 677023DEST_PATH_IMAGE145
内各层点云文件的墩面点云，最后合并为桥墩两侧面点云得到
Figure DEST_PATH_IMAGE232
与
Figure DEST_PATH_IMAGE234
；
步骤9：重复步骤4、步骤5中直线探测，在
Figure 79186DEST_PATH_IMAGE232
中
Figure DEST_PATH_IMAGE236
处探测直线，并将已探测直线的端点
Figure DEST_PATH_IMAGE238
和
Figure DEST_PATH_IMAGE240
，代入垂直于XOY面的平面一般方程
Figure DEST_PATH_IMAGE241
求出
Figure 154589DEST_PATH_IMAGE232
中基准面参数
Figure DEST_PATH_IMAGE243
，同理得到
Figure 616795DEST_PATH_IMAGE234
中
Figure 43228DEST_PATH_IMAGE236
处已探测直线的端点
Figure DEST_PATH_IMAGE245
和
Figure DEST_PATH_IMAGE247
，该基准面参数
Figure DEST_PATH_IMAGE249
；
步骤10：计算
Figure DEST_PATH_IMAGE250
与
Figure DEST_PATH_IMAGE251
中各点坐标到对应基准面距离，并根据距离D的大小不同对应色谱图不同颜色来表示桥墩位姿，得到桥墩位姿图，参见图3，并用于计算桥墩各个位置的垂直度和平整度。最终得到该高墩最高点垂直度最大值为0.028m，根据《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》(JTG F80/1-2017)未超过60m以上桥墩垂直度限制偏差0.03m，符合设计要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：扫描桥墩获取调平后相应的点云原始坐标数据
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
；
步骤2：按照Z轴方向将
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
均分为n层，舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心过远和过近的点；各层的数据
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAA
按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内，并生成总索引文件用于记录点云文件层数n、各层点云文件的数据量
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
和各层数据的Z坐标范围
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
为自然数；
步骤3：删去
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
<106的层数，剩余总层数m，并更新总索引文件，同时记录总剩余点云中最高点Z坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
与最低点Z坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
；
步骤4：设
Figure DEST_PATH_IMAGE018AA
为最小有效层高，根据步骤3中总索引文件选取
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
所在的点云层数
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAA
，取此Z值范围内的点云D a ，并在XOY面投影，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
处点云切片平面二值图像
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAA
，按比例压缩
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAA
得到压缩后图像
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAA
；
步骤5：对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAA
进行多尺度Hough变换探测直线对象，生成文件
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAA
记录直线探测结果；
步骤6：重复步骤4和步骤5，分别得到
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
处图像
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAA
的直线探测结果文件
Figure DEST_PATH_IMAGE032AAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
处图像
Figure DEST_PATH_IMAGE036AAA
的直线探测结果文件
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAA
，其中b为桥墩设计高度的
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
；
步骤7：
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE036AAAA
按照比例放大后记为
Figure DEST_PATH_IMAGE042AA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE044AA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046AA
；
Figure DEST_PATH_IMAGE032AAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAA
中探测直线坐标同时按照比例放大后记为
Figure DEST_PATH_IMAGE048AAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE050AAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052AAAAAA
；进一步在每条已探测直线周围设置半径为桥墩设计高度的1‰的缓冲区，缓冲区范围信息存入
Figure DEST_PATH_IMAGE048AAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE050AAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052AAAAAAA
中；
分别将
Figure DEST_PATH_IMAGE048AAAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE052AAAAAAAA
中每条探测直线的缓冲区面积
Figure DEST_PATH_IMAGE054A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE056A
与
Figure DEST_PATH_IMAGE050AAAAAAAA
中相同位置探测直线的缓冲区面积
Figure DEST_PATH_IMAGE058A
代入公式1）计算重叠度
Figure DEST_PATH_IMAGE060A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE062A
；
重叠度计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE064A
1）；
记录
Figure DEST_PATH_IMAGE048AAAAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE050AAAAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052AAAAAAAAA
中
Figure DEST_PATH_IMAGE066A
对应Z值范围的对应直线、直线编号与其缓冲区范围并按照对应Z值范围分别存入文件
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070AAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072AAAA
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE074A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE076A
分别为两条相同位置探测直线的对应缓冲区面积；
步骤8：设
Figure DEST_PATH_IMAGE078A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE080A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE082A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE084A
；当
Figure DEST_PATH_IMAGE086A
时，令
Figure DEST_PATH_IMAGE088A
；当
Figure DEST_PATH_IMAGE090A
时，令
Figure DEST_PATH_IMAGE092A
；
得到Z值区间
Figure DEST_PATH_IMAGE094A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE096A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE098A
，逐个打开各层点云数据
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAA
，根据各层数据的Z坐标范围
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
分别以
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070AAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072AAAAA
缓冲区作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
对所有导出的桥墩点云数据进行合并得到桥墩各侧平面点云
Figure DEST_PATH_IMAGE100AAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE102A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE100AAAAAA
的个数由桥墩面实际扫描个数而定；
步骤9：重复步骤4和步骤5中直线探测，在
Figure DEST_PATH_IMAGE100AAAAAAA
中
Figure DEST_PATH_IMAGE104A
处探测直线，并将已探测直线的端点
Figure DEST_PATH_IMAGE106A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE108A
，代入垂直于XOY面的平面一般方程
Figure DEST_PATH_IMAGE110A
即可求出
Figure DEST_PATH_IMAGE100AAAAAAAA
中基准面参数A和B，即
Figure DEST_PATH_IMAGE112A
；
步骤10：计算
Figure DEST_PATH_IMAGE100AAAAAAAAA
各点坐标到对应基准面距离，并根据距离的大小对应色谱图不同颜色来表示桥墩位姿，得到桥墩位姿图。
2.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤2中舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心15-25m外和2-10m内的点；所述步骤2中还包括将Z值统一加常数，使得所有点Z坐标值大于0。
3.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤4中按比例100:1压缩
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAA
得到压缩后图像
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAAA
。
4.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤4中最小有效层高
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAA
取值范围为0.01-1m。
5.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤5中直线探测时进步尺寸单位半径设置为1像素，单位角度设置为1°，累加平面的阈值参数设置为8像素；文件
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAA
记录所有探测直线按照方位顺序的编号和首末端点。
6.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤7中判断探测直线是否在同一位置判断条件为：分别计算
Figure DEST_PATH_IMAGE048AAAAAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE052AAAAAAAAAA
中每条探测直线的中点坐标与
Figure DEST_PATH_IMAGE050AAAAAAAAAA
中每条探测直线的中点坐标间距，当间距小于0.1m时认为两探测直线在相同位置。
7.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤7中
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE036AAAAA
按照比例1:100放大后记为
Figure DEST_PATH_IMAGE042AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE044AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046AAA
；
Figure DEST_PATH_IMAGE032AAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAAAA
中探测直线坐标同时按照比例1:100放大后记为
Figure DEST_PATH_IMAGE048AAAAAAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE050AAAAAAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052AAAAAAAAAAA
。
8.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于， 所述步骤8中导出桥墩表面点云数据具体是：
当
Figure DEST_PATH_IMAGE114A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE116A
或
Figure DEST_PATH_IMAGE118A
时，分别以对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070AAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072AAAAAA
缓冲区作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
当某层点云
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAA
有
Figure DEST_PATH_IMAGE120A
时，计算
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAA
中属于
Figure DEST_PATH_IMAGE122AAAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE124AA
的占比；其中Z值大于
Figure DEST_PATH_IMAGE122AAAAA
的点云占比
Figure DEST_PATH_IMAGE126A
，Z值小于
Figure DEST_PATH_IMAGE124AAA
的点云占比
Figure DEST_PATH_IMAGE128A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAA
点云数据按照该占比分层，并分别以对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070AAAAAAAA
区域作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
当某层点云
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAA
有
Figure DEST_PATH_IMAGE130A
时，计算
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAA
中属于
Figure DEST_PATH_IMAGE122AAAAAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE132AA
的占比；其中Z值大于
Figure DEST_PATH_IMAGE132AAA
的点云占比
Figure DEST_PATH_IMAGE134A
，Z值小于
Figure DEST_PATH_IMAGE122AAAAAAA
的点云占比
Figure DEST_PATH_IMAGE136A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAA
点云数据按照该占比分层，并分别以对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE070AAAAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072AAAAAAA
区域作为限定条件导出桥墩表面点云数据。
9.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，当目标桥墩为圆柱形时，步骤5中使用Hough圆变换检测圆形或椭圆形截面。
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Denomination of invention: A Bridge Pier Pose Measurement Method Based on Massive Point Cloud Data

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Granted publication date: 20210202

Pledgee: China Everbright Bank Co.,Ltd. Changsha Huafeng Sub branch

Pledgor: Hunan Lianzhi Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980064937