CN112945150A - 一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其包括:采用三维激光扫描对待测目标物进行多测站的三维数据采集,并将各测站的三维数据拼接至统一坐标系下,得到统一坐标系下的三维点云数据;计算所述三维点云数据中各数据点到基准平面的偏差值,将其作为各所述数据点的平整度值;在待测目标物的表面选取多个检测点,对各数据点的平整度数据进行采样,以获取各检测点的平整度值;在此步骤中以待采样的检测点为中心、边长为l的正方形面域内所有数据点的平整度值的平均值作为该检测点的平整度值。本发明的三维激光扫描技术可应用于检测范围较大的大型构筑物项目,可速度更快、精度更高地获取所检测的区域范围的检测点坐标。
Description
技术领域
本发明属于三维激光扫描测量技术领域,特别涉及一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法。
背景技术
大型构筑物施工质量的把控是施工过程中非常重要的工序,其中大型构筑物平面平整度是非常常见的质量控制指标。对于测量范围广,精度要求高的大型构筑物平面平整度的检测,一般采用全站仪+测区布设反射棱镜或反射片的方式进行检测。由于检测范围较广,全站仪需要对大量检测点逐个观测,作业效率非常低。
三维激光扫描技术作为一种新兴技术,与全站仪相比,具有快速实时高密度获取物体表面数据、远距离数采集的优势,但是其检测范围有限,难以通过单次扫描覆盖整个大型构筑物。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,该方法通过将三维激光扫描与全站仪检测相结合,实现了大型构筑物的平整度检测。
本发明的技术方案是一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其包括:
(S1)采用三维激光扫描对待测目标物进行多测站的三维数据采集,并将各测站的三维数据拼接至统一坐标系下,得到统一坐标系下的三维点云数据;
(S2)计算所述三维点云数据中各数据点到基准平面的偏差值,将其作为各所述数据点的平整度值;
(S3)在待测目标物的表面选取多个检测点,对各数据点的平整度数据进行采样,以获取各所述检测点的平整度值;在此步骤中以待采样的检测点为中心、边长为l的正方形面域内所有数据点的平整度值的平均值作为该检测点的平整度值。
本发明的进一步改进在于,步骤(S1)中对待测目标物进行三维数据采集具体包括以下步骤:
在相邻两个测站之间布设至少三个不共线的参考标靶;采用激光扫描仪分别对各测站进行三维数据扫描,得到的三维数据包括在扫描仪坐标系下的三维点云数据以及参考标靶的三维坐标;
采用任意设站控制网测量方式测量各测站中的参考标靶的标靶三维坐标。
本发明的进一步改进在于,将各测站的三维数据拼接至统一坐标系下具体包括以下步骤:
对各标靶三维坐标的平面坐标进行自由网平差以及约束平差,得到各参考标靶在统一坐标系下的平面坐标;对各标靶三维坐标的高程坐标进行高程网平差,得到各参考标靶在统一坐标系下的高程坐标;
对各测站的三维数据进行坐标转换;转换过程中将各参考标靶在扫描仪坐标系下的三维坐标以及在统一坐标系下的三维坐标一一对应,求解出各测站的坐标转换参数,并依据坐标转换参数对相应测站的三维点云数据中的各数据点进行坐标转换,将其从相应的扫描仪坐标系转换至统一坐标系,从而形成统一坐标系下的三维点云数据。
本发明的进一步改进在于,得到统一下坐标系下的三维点云数据后,对该所述三维点云数据进行去噪,删除噪声对应的所述数据点。
本发明的进一步改进在于,所述基准平面为指定基准面或者由所述三维点云数据中各所述数据点拟合得到的平面。
本发明的进一步改进在于,获取某个所述检测点的平整度值的过程具体包括以下步骤:
(S31)估算相邻数据点的最大点间距dmax;
(S32)估算确定正方形面域的边长l;
(S33)统计以该所述检测点为中心的正方形面域中所述数据点的总数s;总数s大于pmax时,缩小边长l,令l=l/2,并重复步骤(S33);
(S34)根据最终的边长l,统计正方形面域中各数据点的平整度值的平均值,并将其作为该所述检测点的平整度值。
本发明的进一步改进在于,所述正方形面域为所述基准平面中的区域;各所述检测点通过其在所述基准平面中的投影坐标判断其是否位于所述正方形面域中。
本发明的进一步改进在于,对各检测点的平整度值D的大小和方向采用RGB颜色进行自适应表达,其表达式为:
其中,区间[R1,R2](R1<R2)是平整度值D的评价标准合格范围,区间[R1MAX,R2MAX](R1MAX<R2MAX)是平整度值D的最小值与最大值。
本发明的有益效果为:
1.本发明的三维激光扫描技术可应用于检测范围较大的大型构筑物项目,可速度更快、精度更高的获取所检测的区域范围的检测点坐标。
2.该基于三维激光扫描技术的检测方法较于传统的技术方法解决了检测点逐个观测,难以快速完成检测内容的问题。
3.该技术方案得到的成果表达形式,更具直观性,便于理解。
附图说明
图1是基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法的流程图;
图2是参考标靶以及激光扫描仪的布设位置的示意图;
图3是点检测点采样过程的示意图;
图4是偏差等值线图。
具体实施方式
如图1所示,本发明的实施例提供一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其包括:
(S1)采用三维激光扫描对待测目标物进行多测站的三维数据采集,并将各测站的三维数据拼接至统一坐标系下,得到三维点云数据。本步骤包括外业数据采集过程以及部分内业数据处理过程。
外业数据采集过程主要对待测目标物(大型构筑物)进行分测站的三维数据采集;并通过设置参考标靶,获取各参考标靶的三维坐标,将其作为点云拼接时的拼接依据。具体的,对各测站进行三维数据采集具体包括以下步骤:
(S101)在相邻两个测站之间布设至少三个不共线的参考标靶;本实施例中,参考标靶具有供激光扫描仪扫描的球形标靶以及供全站仪测量的棱镜,二者的相对位置关系固定,且三维坐标可相互转换,因此可利用各个测站的参考标靶实现扫描仪坐标系到统一坐标系的转换。如图2所示,本实施例中,各测站具有一定的扫描范围,参考标靶布设的在扫描范围中。相邻两个测站之间的参考标靶指的是在两个相邻测站的扫描范围的重叠范围内的参考标靶。
(S102)采用激光扫描仪分别对各测站进行三维数据扫描,得到的三维数据包括在扫描仪坐标系下的三维点云数据以及参考标靶的三维坐标。
(S103)采用任意设站控制网测量方式测量各测站中的参考标靶的标靶三维坐标,该测量方法参照轨道交通中“CPIII”的测量方法进行实现,精度较高。
步骤(S1)中涉及的内业数据处理过程主要将各测站的三维数据拼接至统一坐标系下,具体包括以下步骤:
(S111)将各标靶三维坐标导入到专业平差软件,依次进行自由网平差以及约束平差,得到各参考标靶在统一坐标系下的平面坐标;对各标靶三维坐标的高程坐标导入专业平差软件,进行高程网平差,得到各参考标靶在统一坐标系下的高程坐标;平面坐标和高程坐标构成了参考标靶在统一坐标系下的三维坐标;
(S112)对各测站的三维数据进行坐标转换;转换过程中将各参考标靶在扫描仪坐标系下的三维坐标以及在统一坐标系下的三维坐标一一对应,求解出各测站的坐标转换参数,并依据坐标转换参数对相应测站的三维点云数据中的各数据点进行坐标转换,将其从相应的扫描仪坐标系转换至统一坐标系,从而形成统一坐标系下的三维点云数据;
坐标转换后,可对统一坐标系下的三维点云数据进行去噪,删除噪声对应的数据点,并保留待检测物体的点云。该过程可通过人机交互的方式手工实现,也可通过算法的方式进行实现。去噪后的三维点云数据用于本方法的后续步骤。
(S2)计算统一坐标系下的三维点云数据中各数据点到基准平面的偏差值,将其作为各数据点的平整度值。基准平面为指定基准面或者由三维点云数据中各数据点拟合得到的平面。偏差值表示某个数据点与基准平面之间的间距以及相对方向,其计算过程为:
(S21)点云投影:将数据点i投影至基准面上,其计算公式如下:
设数据点i在统一坐标系下的三维坐标为(xi,yi,zi),基准平面的方程ax+by+cz+d=0,数据点i投影到基准平面的坐标为(xp,yp,zp):
(S22)坐标转换:为方便表达平面平整度成果,将数据点i的投影坐标(xp,yp,zp)转换成二维坐标(x'p,y'p,D),其中x'p、y'p为数据点在基准平面中的平面坐标,D为数据点的(偏差值)平整度值,其表达式为:
(S3)在待测目标物的表面选取多个检测点,对各数据点的平整度数据进行采样,从而获取各个检测点的平整度值。在此步骤中以待采样的检测点为中心、边长为l的正方形面域内所有数据点的平整度值D的平均值作为该检测点的平整度值。对某个检测点的平整度数据进行采样具体包括以下步骤:
(S31)估算相邻数据点的最大点间距dmax;
(S32)估算确定正方形面域的边长l;边长l的初始值为l=2dmax;
(S33)如图3所示,统计以该检测点为中心的正方形面域中的数据点的总数s;总数s大于上限pmax时,缩小边长l,并重复步骤(S33);在本实施例中,边长每次缩小一半,令l=l/2,直到正方形面域内的数据点总数s小于pmax;对正方形面域的边长进行自适应调整的原因在于:由于点云分布不均匀,因此不同位置处,相同边长的面域包含的数据点个数相差很大,为提高“以面代点”的准确性,需对l值进行优化,使得检测点可以更加准确地反映其平整度的真实值。
本实施例中,检测点的平整度值采用上述以面带点的方式求得,使得检测点的选取不局限于三维点云数据中数据点所在的位置,检测点的位置可灵活选取,例如通过业主指定,或者根据施工设计要求进行选取。
(S34)根据最终的边长l,统计正方形面域中各数据点的平整度值D的平均值,并将其作为该检测点的平整度值。
在步骤(S3)中,正方形面域为基准平面中的区域;各检测点通过其在基准平面中的投影坐标判断其是否位于正方形面域中。各检测点的选取可按照施工需求选取特定的点,例如选取固定间距的点阵,也可在待测目标物的表面随机选取。
为了直观表达检测物体的平整度信息,本实施例采用依照偏差值(平整度值D)的大小和方向将偏差值(平整度值D)用不同RGB颜色自适应表达。其表达式为:
其中,区间[R1,R2](R1<R2)是偏差值(平整度值D)的评价标准合格范围,区间[R1MAX,R2MAX](R1MAX<R2MAX)是偏差值(平整度值D)的最小值与最大值。本步骤得到的偏差等值线图如图4所示,图4中检测点呈点阵状排列,每个点采用不同的颜色进行表示,这种表现方式更加直观容易理解。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其包括:
(S1)采用三维激光扫描对待测目标物进行多测站的三维数据采集,并将各测站的三维数据拼接至统一坐标系下,得到统一坐标系下的三维点云数据;
(S2)计算所述三维点云数据中各数据点到基准平面的偏差值,将其作为各所述数据点的平整度值;
(S3)在待测目标物的表面选取多个检测点,对各数据点的平整度数据进行采样,以获取各所述检测点的平整度值;在此步骤中以待采样的检测点为中心、边长为l的正方形面域内所有数据点的平整度值的平均值作为该检测点的平整度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其特征在于,步骤(S1)中对待测目标物进行三维数据采集具体包括以下步骤:
在相邻两个测站之间布设至少三个不共线的参考标靶;采用激光扫描仪分别对各测站进行三维数据扫描,得到的三维数据包括在扫描仪坐标系下的三维点云数据以及参考标靶的三维坐标;
采用任意设站控制网测量方式测量各测站中的参考标靶的标靶三维坐标。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其特征在于,将各测站的三维数据拼接至统一坐标系下具体包括以下步骤:
对各标靶三维坐标的平面坐标进行自由网平差以及约束平差,得到各参考标靶在统一坐标系下的平面坐标;对各标靶三维坐标的高程坐标进行高程网平差,得到各参考标靶在统一坐标系下的高程坐标;
对各测站的三维数据进行坐标转换;转换过程中将各参考标靶在扫描仪坐标系下的三维坐标以及在统一坐标系下的三维坐标一一对应,求解出各测站的坐标转换参数,并依据坐标转换参数对相应测站的三维点云数据中的各数据点进行坐标转换,将其从相应的扫描仪坐标系转换至统一坐标系,从而形成统一坐标系下的三维点云数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其特征在于,得到统一下坐标系下的三维点云数据后,对该所述三维点云数据进行去噪,删除噪声对应的所述数据点。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其特征在于,所述基准平面为指定基准面或者由所述三维点云数据中各所述数据点拟合得到的平面。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其特征在于,获取某个所述检测点的平整度值的过程具体包括以下步骤:
(S31)估算相邻数据点的最大点间距dmax;
(S32)估算确定正方形面域的边长l;
(S33)统计以该所述检测点为中心的正方形面域中所述数据点的总数s;总数s大于pmax时,缩小边长l,令l=l/2,并重复步骤(S33);
(S34)根据最终的边长l,统计正方形面域中各数据点的平整度值的平均值,并将其作为该所述检测点的平整度值。
7.根据权利要求6所述的一种基于三维激光扫描技术的大型构筑物平整度检测方法,其特征在于,所述正方形面域为所述基准平面中的区域;各所述检测点通过其在所述基准平面中的投影坐标判断其是否位于所述正方形面域中。
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