CN112147618B - 基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法，该方法通过遥感测量的方式获取桩体顶面的点云数据，然后采取中心法对柱体顶面中心进行求解定位，再以前面得到的坐标，改变半径r，分别寻找距离该初始圆心的半径满足下式的测深点，最后得到的测深点，构建如下方程，得到最终的桩体顶面圆心坐标。该方法能够用于水下桩体顶面中心三维坐标的高精度确定，解决桩体顶面的定位以及海上风电架子安装问题，相比传统的定位方法，具有高精度、高效率、低成本、低风险和实施方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及水下桩体遥测定位技术领域，特别是一种基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法。
背景技术
海上风电、海上桥梁等海洋工程建设中，首先需要在海底打入柱桩，组成基础的工程支撑结构，在较深水域下还须水下连接两段桩体进行套桩；所以打桩后桩体的位置精度直接关系到工程实施及其安全性。水下桩体施工所在地离陆地较远，桩体顶面的水深值仍较大，桩体大部分被海水掩埋，难以借助常规地面上的光学测量方法、光学成像方法确定其位置。
目前对水下桩体中心位置的确定主要采用水下超短基线定位系统来实现；超短基线定位系统主要由船载换能器、水听器阵列以及放在水下桩体上的应答器组成，其工作原理是，船载定位阵列中的换能器发射超声波与水下应答器相互测距，获得二者间距离S；再根据来自应答器的声波到三个水听器的时间差，结合水听器间的安装距离，计算换能器到应答器间空间直线与船体坐标系下的三个坐标轴的夹角；利用改夹角、换能器到应答器间距离以及换能器的方位和船载GNSS确定的三维坐标，实现水下应答器位置三维坐标的确定。
该方法存在两个方面问题：
其一，精度较低，目前超短基线定位系统因为基线较短，定位精度只有米级，难以满足桩体中心定位精度要求；
其二，需要潜水员将水听器严格安放在桩体中心，实施困难，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一致用于水下桩体顶面中心三维坐标的高精度确定，解决桩体顶面的定位以及海上风电架子安装问题的基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法，该方法步骤如下：
(1)通过遥感测量的方式获取桩体顶面的点云数据；
(2)采取中心法对柱体顶面中心进行求解定位：
建立如下公式：
式中，(x0，y0，z0)表示所求圆心坐标；
(xi，yi，zi)为顶面点云坐标；
n为柱顶面点云个数；
(3)以前面得到的(x0，y0，z0)为圆心初始值，改变半径r，分别寻找距离该初始圆心的半径满足下式的测深点：
R＝r+δ
式中，r为给定的半径；
R为欲寻找的点(xi，yi，zi)到初始圆心(x0，y0，z0)的距离；
δ为一个小的偏差；
(4)根据步骤(3)中得到的测深点，构建如下方程：
(xi-x0)2+(yi-y0)2＝r2
不断改变r值，会得到一系列方程，并对得到的方程线性化，得到线性化方程组：
l＝BX
待求参数只有2个(x0，y0)，借助最小二乘方法，解算方程组，得到最终的桩体顶面圆心坐标：
X＝(BTB)-BTl
上式中，X＝(x0，y0)
B为系数矩阵；
l为初始值下的观测量。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法，在步骤(2)前，需要对步骤(1)中获取的柱体顶面点云数据进行一定的范围，具体操作为先设定圆周半径范围，对粗差进行剔除：
采用如下公式对圆的半径进行限定：
k＜r+ks
式中，k为点云(xi，yi，zi)与(x0，y0，z0)的距离；
r为已知先验柱体半径；
ks为较小的常数，与点云测量误差有关。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法，步骤(1)中，采用多波束测探的方法获取桩体顶面的点云数据。
与现有技术相比，本发明带来的技术效果：
1、可实现桩体顶面中心坐标的声学非接触遥感测量，提高了桩体顶面中心三维坐标确定的精度；
2、使用方便快捷，减少实施耗时，提升工作效率；
3、准确性更高，提高了桩体定位精度；
4、实施更方便，提高了作业效率，降低了作业成本；
5、无需在水下施工，非接触确定桩体顶面中心三维坐标，降低了作业难度。
附图说明
图1为本发明的顶面中心坐标概略确定方法原理示意图；
图2为本发明的不同半径下圆心的确定方法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，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。
参照图1-2，一种基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法采用多波束点云，通过拟合算法研究，实现厘米级桩体中心位置的确定，提高了定位的精度，降低了实施的难度、风险和成本，提高了效率，对于高精度桩体顶面中心的确定具有重要的现实意义；该方法具体过程为：
1、在多波束实测数据中，当测线从柱体的正上方经过，用中央波束扫测柱体时，获得的点云数据基本在柱顶面上；此时获得的柱顶面点云分布均匀，形状为圆，可直接采取中心法进行求解定位；
中心法即是充分考虑每一个柱顶面点云数据，采用均值法等权对柱体顶面中心进行拟合定位；因此建立如下公式：
式中，(x0，y0，z0)表示所求圆心坐标；
(xi，yi，zi)为顶面点云坐标；
n为柱顶面点云个数；
2、拟合定位须进一步对柱体顶面点云数据进行一定的范围选择，如设定圆周半径范围，对粗差进行剔除等；
如附图1所示，对圆的半径进行限定，可采用如下公式；
k＜r+ks (2)
式中，k为点云(xi，yi，zi)与(x0，y0，z0)的距离，
r为已知先验柱体半径；
ks为较小的常数，与点云测量误差有关；
3、获得了所以满足质量要求的多波束测深点后，在借助式(1)获得中心坐标(x0，y0，z0)作为中心概略值，并取经过z0的平面作为水平顶面；优于确定的每个测深点(xi，yi，zi)在经过z0的平面上的投影点水平坐标(xi，yi)具有不变性，因此以前面得到的(x0，y0，z0)为圆心初始值，改变半径r，分别寻找距离该初始圆心的、半径满足下式的测深点，如附图2所示；
R＝r+δ (3)
式中，r为给定的半径，
R为欲寻找的点(xi，yi，zi)到初始圆心(x0，y0，z0)的距离，
δ为一个小的偏差；
4、根据搜寻的点，构建如下方程：
(xi-x0)2+(yi-y0)2＝r2 (4)
不断改变r值，会得到一系列式(4)方程；
对式(4)线性化，得到线性化方程组，
l＝BX (5)
待求参数只有2个(x0，y0)，借助最小二乘方法，解算方程组，得到最终的桩体顶面圆心坐标；
X＝(BTB)-BTl (6)
上式中，X＝(x0，y0)；
B为系数矩阵；
L为初始值下的观测量。
本申请能够用于水下桩体顶面中心三维坐标的高精度确定，解决桩体顶面的定位以及海上风电架子安装问题，相比传统的定位方法，具有高精度、高效率、低成本、低风险和实施方便等优点。
本申请的优点在于：
1、可实现桩体顶面中心坐标的声学非接触遥感测量，提高了桩体顶面中心三维坐标确定的精度；
2、使用方便快捷，减少实施耗时，提升工作效率；
3、准确性更高，提高了桩体定位精度；
4、实施更方便，提高了作业效率，降低了作业成本；
5、无需在水下施工，非接触确定桩体顶面中心三维坐标，降低了作业难度。
Claims (1)
1.一种基于点云数据的桩体顶面中心三维坐标高精度确定方法，其特征在于：该方法步骤如下：
(1)通过遥感测量的方式获取桩体顶面的点云数据；
(2)采取中心法对柱体顶面中心进行求解定位：
建立如下公式：
式中，(x0，y0，z0)表示所求圆心坐标；
(xi，yi，zi)为顶面点云坐标；
n为柱顶面点云个数；
(3)以前面得到的(x0，y0，z0)为圆心初始值，改变半径r，分别寻找距离该初始圆心的半径满足下式的测深点：
R＝r+δ
式中，r为给定的半径；
R为欲寻找的点(xi，yi，zi)到初始圆心(x0，y0，z0)的距离；
δ为一个小的偏差；
(4)根据步骤(3)中得到的测深点，构建如下方程：
(xi-x0)2+(yi-y0)2＝r2
不断改变r值，会得到一系列方程，并对得到的方程线性化，得到线性化方程组：
l＝BX
待求参数只有2个(x0，y0)，借助最小二乘方法，解算方程组，得到最终的桩体顶面圆心坐标：
X＝(BTB)-BTl
上式中，X＝(x0，y0)
B为系数矩阵；
l为初始值下的观测量；
在步骤(2)前，需要对步骤(1)中获取的柱体顶面点云数据进行一定的范围，具体操作为先设定圆周半径范围，对粗差进行剔除：
采用如下公式对圆的半径进行限定：
k<r+ks
式中，k为点云(xi，yi，zi)与(x0，y0，z0)的距离；
r为已知先验柱体半径；
ks为较小的常数，与点云测量误差有关；
步骤(1)中，采用多波束测探的方法获取桩体顶面的点云数据。
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| CN108663029A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-10-16 | 深圳市建设综合勘察设计院有限公司 | 一种获取水下圆柱形基桩信息的方法、存储介质及终端 |
| CN111524103A (zh) * | 2020-04-10 | 2020-08-11 | 山东科技大学 | 一种基于三维激光点云的圆型隧道中轴线提取方法 |
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2020
- 2020-09-24 CN CN202011017045.1A patent/CN112147618B/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN108663029A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-10-16 | 深圳市建设综合勘察设计院有限公司 | 一种获取水下圆柱形基桩信息的方法、存储介质及终端 |
| CN111524103A (zh) * | 2020-04-10 | 2020-08-11 | 山东科技大学 | 一种基于三维激光点云的圆型隧道中轴线提取方法 |
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|---|
| "从激光点云中提取古建筑线性和圆形特征的比较";詹庆明 等;《武汉大学学报 信息科学版》;20110630;第36卷(第6期);第1.4节 * |
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