CN113935081A - 一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法 - Google Patents

一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，包括以下步骤：1)获取构件点云数据；2)将构件点云数据与BIM设计模型中对应构件匹配，提取包含螺栓孔群的构件点云数据区域；3)进行平面点云提取；4)对平面点云数据进行降维，获得平面点云二值图像；5)获得螺栓孔的粗边缘点集合；6)以各螺栓孔的粗边缘点为种子点，在步骤4)的螺栓孔群点云数据中扩增，并降维；7)使用边缘检测方法提取螺栓孔的精确边缘点集合；8)使用RANSAC算法进行圆拟合，获得螺栓孔圆心及半径；9)确定螺栓孔相对位置并生成连接板加工图。本发明方法可有效解决桥梁构件与连接板之间因螺栓孔群相对误差过大而无法拼接的问题，避免进行实体预拼装，降低工程总成本。

Description

一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法
技术领域
本发明涉及信息技术与桥梁安全管理领域，具体涉及一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法。
背景技术
在桥梁工程项目中，钢结构桥梁构件一般需要在工厂分段加工，并运输到现场通过连接板利用高强螺栓进行连接。为保证桥梁构件连接的可靠性，构件与连接板的螺栓孔许可误差通常仅为2毫米。然而，按设计图纸预先加工好的连接板与构件常会因螺栓孔群之间的加工累积误差过大而无法拼接，因此桥梁构件通常需要在工厂车间进行实体预拼装，并根据实际误差及时整改连接板来保证构件在现场能够成功拼接。但实体预拼装存在胎架和人力成本高、场地占用大以及效率低等不足。
因此，需要研发一种方法以解决连接板与待连接构件之间因螺栓孔群相对误差过大而无法拼接的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，包括以下步骤：
1)使用三维激光扫描仪对待连接的桥梁构件进行扫描，获取构件点云数据；
2)将BIM设计模型离散成模型点云数据,将步骤1)中获得的各构件点云数据与相对应的模型点云数据的坐标系统一，并提取包含模型螺栓孔群的构件点云数据区域；
3)针对步骤2)中统一坐标系后的螺栓孔群点云数据，使用RANSAC算法进行平面点云提取；
4)对步骤3)中获得的平面点云数据进行降维处理，并使用边界扩增的二值图像转换算法获得平面点云二值图像；
5)针对步骤4)中获得的平面点云二值图像，按照像素值采用DBSCAN算法聚类，获得各螺栓孔的粗边缘点集合；
6)以步骤5)中获得的各螺栓孔的粗边缘点作为种子点，在步骤4)获得的螺栓孔群点云数据中扩增，并将扩增数据进行降维处理；
7)针对步骤6)中获得的降维数据，使用基于区域的边缘检测方法提取各螺栓孔的精确边缘点集合；
8)针对步骤7)中获得的各螺栓孔精确边缘点集合，使用RANSAC算法进行圆拟合，获得螺栓孔圆心及半径；
9)根据步骤8)中获得的各螺栓孔圆心及半径，确定连接板上所有螺栓孔的相对位置并自动生成连接板加工图。
进一步，步骤3)包括以下分步骤：
3-1)随机采样螺栓孔群点云数据中的3个数据点并拟合平面获得平面模型；
3-2)计算所有数据点到拟合平面的距离，统计出距离小于距离阈值Dmin的数据点为N个；
3-3)重复步骤3-1)、3-2)M次，选择N值最大的平面模型。
进一步，步骤4)中所述平面点云二值图像的生成包括以下分步骤：
根据降维处理的平面点云数据的二维坐标(x,y)，计算x与y的最大值xmax和ymax，最小值xmin和ymin，设置固定网格尺寸s，设置图像扩增网格数n，二值图像的行row与列column，则各计算点索引指标i和j分别表示为：
Figure BDA0003240181140000021
Figure BDA0003240181140000022
Figure BDA0003240181140000023
Figure BDA0003240181140000024
式中：ceil计算表示向上取整，当图像网格中存在数据点则网格像素值设置为1，若不存在数据点则网格像素值设置为0。
进一步，步骤5)包括以下分步骤：
5-1)在平面点云二值图像的像素值中随机选择一个种子点，根据距离阈值ε计算所有邻域点，当邻域点个数大于最小点数阈值Minpts时，将其归为密度相连的核心点，所有核心点归为一类；
5-2)重复步骤5-1)，直到所有的数据点均被分类。
进一步，步骤7)包括以下分步骤：
7-1)设置邻域点范围dmin，将邻域内的每个数据点作为计算点，针对每一个计算点，寻找到计算点的距离小于dmin的所有邻域点；
7-2)以计算点为中心，将其邻域按角度八等分，判断这八个区域中是否都落入该点的邻域点，若否，将该点标记为边缘点。
进一步，步骤8)中使用RANSAC算法进行圆拟合包括以下分步骤：
8-1)在螺栓孔精确边缘点中随机采样3个数据点并拟合圆获得圆模型；
8-2)计算所有数据点到拟合圆的距离，统计出距离小于距离阈值Lmin的数据点为A个；
8-3)重复步骤8-1)、8-2)B次，选择A值最大的圆模型。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明方法通过利用三维激光扫描技术与BIM设计模型实现对待连接桥梁构件的连接板的智能设计，可以有效地解决桥梁构件与连接板之间因螺栓孔群相对误差过大而无法拼接的问题，并避免进行实体预拼装，降低工程总成本。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为各构件点云数据与BIM设计模型的匹配结果图；
图3为一个螺栓孔群点云数据的二值图像示例；
图4为一个螺栓孔群中各螺栓孔点云数据的聚类示例；
图5为一个螺栓孔点云数据的精确边缘点检测结果示例；
图6为一个螺栓孔点云数据的精确边缘点圆拟合示例；
图7为一个螺栓孔群所有螺栓孔拟合圆示例；
图8为连接板自动出图结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开了一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，包括以下步骤：
1)使用三维激光扫描仪对待连接的桥梁构件的进行扫描，获取构件点云数据；
2)将步骤1)中获得的各构件点云数据与BIM设计模型中各自对应的构件匹配，实现两组构件点云数据的坐标系统一，并提取包含模型螺栓孔群的构件点云数据区域；
具体实施时，基于BIM二次开发技术，将BIM设计模型离散成模型点云数据，根据构件点云数据与模型点云数据中的结构特征点进行自动匹配，图2为构件点云数据根据BIM设计模型的匹配结果。
3)对步骤2)中统一坐标系后的螺栓孔群点云数据使用RANSAC算法进行平面点云提取；
具体实施时，采用RANSAC算法对螺栓孔群点云数据进行平面数据提取，所述RANSAC算法基本原理描述为：首先，随机采样3个数据点并拟合平面获得平面模型；其次，计算所有数据点到拟合平面的距离，根据距离阈值Dmin统计小于距离阈值Dmin的数据点个数N；重复M次，选择N最大的平面模型。本实施例中，取距离阈值Dmin为5毫米，计算次数M为500次。
4)对步骤3)中获得的平面点云数据进行降维处理，并使用边界扩增的二值图像转换算法获得平面点云二值图像；
具体实施时，对降维处理的平面点云数据采用边界扩增的二值图像转换算法进行二值图像生成，所述边界扩增的二值图像转换算法基本原理描述为：根据平面点云数据的二维坐标(x,y)计算x与y的最大值xmax和ymax，最小值xmin和ymin，设置固定网格尺寸s，设置图像扩增网格数n，二值图像的行row与列column，以及各计算点索引指标i和j可分别表示为：
Figure BDA0003240181140000041
Figure BDA0003240181140000042
Figure BDA0003240181140000051
Figure BDA0003240181140000052
上式中ceil计算表示向上取整，当图像网格中存在数据点则网格像素值设置为1，若不存在数据点则网格像素值设置为0。
在本实施例的计算中，取距离阈值s为3毫米，图像扩增网格数n为40，图3为一个螺栓孔群点云数据的二值图像示例。
5)对步骤4)中获得的平面点云二值图像按照像素值采用DBSCAN算法聚类，获得各螺栓孔的粗边缘点集合；
具体实施时，本发明采用DBSCAN算法进行聚类，所述DBSCAN算法基本原理描述为：随机选择一个种子点，根据距离阈值ε计算所有邻域点，当邻域点个数大于最小点数阈值Minpts时将其归为密度相连的核心点，所有核心点被归为一类。重复以上操作直到所有的数据点均被分类。在本实施例的计算中，取距离阈值ε为2厘米，最小点数阈值Minpts为20，图4为一个螺栓孔群点云数据的螺栓孔聚类结果。
6)以步骤5)中获得的各螺栓孔的粗边缘点作为种子点，在步骤4)获得的螺栓孔群点云数据中扩增，并将扩增数据进行降维处理；
7)对步骤6)中获得的降维数据使用基于区域的边缘检测方法，提取各螺栓孔的精确边缘点集合；
具体实施时，采用基于区域的边缘检测方法提取螺栓孔精确边缘点集合。所述基于区域的边缘检测方法基本原理描述为：首先，设置邻域点范围dmin，将邻域内的每个数据点作为计算点，对于每一个计算点寻找到计算点的距离小于dmin的所有邻域点；其次，以计算点为中心，将其邻域按角度八等分，判断这八个区域中是否都落入该点的邻域点，若否，将该点标记为边缘点。在本实施例的计算中，设置邻域点范围dmin为1厘米，图5为一个螺栓孔扩增点云数据的精确边缘点提取结果。
8)对步骤7)中获得的各螺栓孔精确边缘点集合使用RANSAC算法进行圆拟合，获得螺栓孔圆心及半径；
具体实施时，采用RANSAC算法对螺栓孔精确边缘点进行圆拟合。所述RANSAC算法基本原理为：首先，随机采样3个数据点并拟合圆获得圆模型；其次，计算所有数据点到拟合圆的距离，根据距离阈值Lmin统计小于距离阈值Lmin的数据点个数A；重复B次，选择A最大的圆模型。在本实施例的计算中，取距离阈值Lmin为2毫米，计算次数B为500次，图6为利用图5中螺栓孔精确边缘点集合拟合的圆的示例，图7为一个螺栓孔群的所有螺栓孔根据扩增边缘点获得的拟合效果图。
9)根据步骤8)中获得的各螺栓孔圆心及半径，确定连接板上所有螺栓孔的相对位置并自动生成连接板加工图；
具体实施时，基于CAD二次开发技术，根据待连接构件的两组螺栓孔群的拟合圆结果以及预设的连接板宽度W和长度L，自动输出连接板加工图如图8所示。在本实施例的计算中，取宽度W为0.6米，长度L为2.2米。
上述实验效果证明，本发明公开的一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法可自动准确的生成契合待连接桥梁构件的连接板加工图，本发明所述方法是切实有效的。
实施例2：
如图1所示，本实施例公开了一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，包括以下步骤：
1)使用三维激光扫描仪对待连接的桥梁构件进行扫描，获取构件点云数据；
2)将BIM设计模型离散成模型点云数据,将步骤1)中获得的各构件点云数据与相对应的模型点云数据的坐标系统一，并提取包含模型螺栓孔群的构件点云数据区域；
3)针对步骤2)中统一坐标系后的螺栓孔群点云数据，使用RANSAC算法进行平面点云提取；
4)对步骤3)中获得的平面点云数据进行降维处理，并使用边界扩增的二值图像转换算法获得平面点云二值图像；
5)针对步骤4)中获得的平面点云二值图像，按照像素值采用DBSCAN算法聚类，获得各螺栓孔的粗边缘点集合；
6)以步骤5)中获得的各螺栓孔的粗边缘点作为种子点，在步骤4)获得的螺栓孔群点云数据中扩增，并将扩增数据进行降维处理；
7)针对步骤6)中获得的降维数据，使用基于区域的边缘检测方法提取各螺栓孔的精确边缘点集合；
8)针对步骤7)中获得的各螺栓孔精确边缘点集合，使用RANSAC算法进行圆拟合，获得螺栓孔圆心及半径；
9)根据步骤8)中获得的各螺栓孔圆心及半径，确定连接板上所有螺栓孔的相对位置并自动生成连接板加工图，自动输出连接板加工图如图8所示。
实施例3：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤3)包括以下分步骤：
3-1)随机采样螺栓孔群点云数据中的3个数据点并拟合平面获得平面模型；
3-2)计算所有数据点到拟合平面的距离，统计出距离小于距离阈值Dmin的数据点为N个；
3-3)重复步骤3-1)、3-2)M次，选择N值最大的平面模型。
实施例4：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤4)中所述平面点云二值图像的生成包括以下分步骤：
根据降维处理的平面点云数据的二维坐标(x,y)，计算x与y的最大值xmax和ymax，最小值xmin和ymin，设置固定网格尺寸s，设置图像扩增网格数n，二值图像的行row与列column，则各计算点索引指标i和j可分别表示为：
Figure BDA0003240181140000071
Figure BDA0003240181140000072
Figure BDA0003240181140000073
Figure BDA0003240181140000074
式中：ceil计算表示向上取整，当图像网格中存在数据点则网格像素值设置为1，若不存在数据点则网格像素值设置为0。
实施例5：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤5)包括以下分步骤：
5-1)在平面点云二值图像的像素值中随机选择一个种子点，根据距离阈值ε计算所有邻域点，当邻域点个数大于最小点数阈值Minpts时，将其归为密度相连的核心点，所有核心点归为一类；
5-2)重复步骤5-1)，直到所有的数据点均被分类。
实施例6：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤7)包括以下分步骤：
7-1)设置邻域点范围dmin，将邻域内的每个数据点作为计算点，针对每一个计算点，寻找到计算点的距离小于dmin的所有邻域点；
7-2)以计算点为中心，将其邻域按角度八等分，判断这八个区域中是否都落入该点的邻域点，若否，将该点标记为边缘点。
实施例7：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤8)中使用RANSAC算法进行圆拟合包括以下分步骤：
8-1)在螺栓孔精确边缘点中随机采样3个数据点并拟合圆获得圆模型；
8-2)计算所有数据点到拟合圆的距离，统计出距离小于距离阈值Lmin的数据点为A个；
8-3)重复步骤8-1)、8-2)B次，选择A值最大的圆模型。

Claims (6)

1.一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)使用三维激光扫描仪对待连接的桥梁构件进行扫描，获取构件点云数据；
2)将BIM设计模型离散成模型点云数据,将步骤1)中获得的各构件点云数据与相对应的模型点云数据的坐标系统一，并提取包含模型螺栓孔群的构件点云数据区域；
3)针对步骤2)中统一坐标系后的螺栓孔群点云数据，使用RANSAC算法进行平面点云提取；
4)对步骤3)中获得的平面点云数据进行降维处理，并使用边界扩增的二值图像转换算法获得平面点云二值图像；
5)针对步骤4)中获得的平面点云二值图像，按照像素值采用DBSCAN算法聚类，获得各螺栓孔的粗边缘点集合；
6)以步骤5)中获得的各螺栓孔的粗边缘点作为种子点，在步骤4)获得的螺栓孔群点云数据中扩增，并将扩增数据进行降维处理；
7)针对步骤6)中获得的降维数据，使用基于区域的边缘检测方法提取各螺栓孔的精确边缘点集合；
8)针对步骤7)中获得的各螺栓孔精确边缘点集合，使用RANSAC算法进行圆拟合，获得螺栓孔圆心及半径；
9)根据步骤8)中获得的各螺栓孔圆心及半径，确定连接板上所有螺栓孔的相对位置并自动生成连接板加工图。
2.根据权利要求1所述的一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，其特征在于：步骤3)包括以下分步骤：
3-1)随机采样螺栓孔群点云数据中的3个数据点并拟合平面获得平面模型；
3-2)计算所有数据点到拟合平面的距离，统计出距离小于距离阈值Dmin的数据点为N个；
3-3)重复步骤3-1)、3-2)M次，选择N值最大的平面模型。
3.根据权利要求1或2所述的一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，其特征在于：步骤4)中所述平面点云二值图像的生成包括以下分步骤：
根据降维处理的平面点云数据的二维坐标(x,y)，计算x与y的最大值xmax和ymax，最小值xmin和ymin，设置固定网格尺寸s，设置图像扩增网格数n，二值图像的行row与列column，则各计算点索引指标i和j分别表示为：
Figure FDA0003240181130000021
Figure FDA0003240181130000022
Figure FDA0003240181130000023
Figure FDA0003240181130000024
式中：ceil计算表示向上取整，当图像网格中存在数据点则网格像素值设置为1，若不存在数据点则网格像素值设置为0。
4.根据权利要求1或3所述的一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，其特征在于：步骤5)包括以下分步骤：
5-1)在平面点云二值图像的像素值中随机选择一个种子点，根据距离阈值ε计算所有邻域点，当邻域点个数大于最小点数阈值Minpts时，将其归为密度相连的核心点，所有核心点归为一类；
5-2)重复步骤5-1)，直到所有的数据点均被分类。
5.根据权利要求1所述的一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，其特征在于：步骤7)包括以下分步骤：
7-1)设置邻域点范围dmin，将邻域内的每个数据点作为计算点，针对每一个计算点，寻找到计算点的距离小于dmin的所有邻域点；
7-2)以计算点为中心，将其邻域按角度八等分，判断这八个区域中是否都落入该点的邻域点，若否，将该点标记为边缘点。
6.根据权利要求1所述的一种面向螺栓连接桥梁工程的连接板后制作方法，其特征在于：步骤8)中使用RANSAC算法进行圆拟合包括以下分步骤：
8-1)在螺栓孔精确边缘点中随机采样3个数据点并拟合圆获得圆模型；
8-2)计算所有数据点到拟合圆的距离，统计出距离小于距离阈值Lmin的数据点为A个；
8-3)重复步骤8-1)、8-2)B次，选择A值最大的圆模型。
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CN118037540A (zh) * 2024-01-23 2024-05-14 重庆大学 一种基于配准模板的桥梁点云数据多层次多视图配准方法

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