CN114216407A - 一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及监测技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，包括测量数据采集以及预处理模块模块、数据分析模块和智能预测模块，所述测量数据采集以及预处理模块对目标物进行三维激光扫描产生点云数据并对点云数据预处理；数据分析模块包括三维模型重建模块和有限元模型建立及修正模块，对三维激光扫描的结果进行3D模型重建；智能预测模块对模型未来各个时段的变形情况进行安全评估。本发明所提供的基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，采用一体化设计，集数据采集、软件分析以及预测评估于一体的全自动高智能三维激光扫描设备，彩色触摸显示屏，更易操作，实时获得多个时段的预测评估以及合理方案。
Description
技术领域
本发明涉及监测技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统。
背景技术
目前，由于国内与国外地质条件、地下设施、地铁运输状况和需求，以及规范要求等多方面的差异，致使三维激光扫描技术在国内的应用，需要配合大量自主研发、适合中国国情和应用需求的软件和配套硬件，才可能发挥出该技术应有的科技水平和作用。传统的检测手段主要有全站仪、GPSRTK技术等，全站仪定位坐标时，受到天气、交通等很多因素的影响，限制较多，另外，它的测量距离短，需要频繁更换测点，而且全站仪测要求站点与被测的目标物点之间通视，至少要两个协同作业才能完成测量。当前，把隧道实测模型还原成3D模型的的技术尚未有成熟的商业化运用。CATIA，Pro/E等CAD、CAE软件虽然可以对检测获取的点云逆向建模，但是需要对特征点和特征线进行人工提取来生成模型，耗费大量的人力和时间。因此，本申请有必要提供一种自动化的模型重建技术，从而能够及时的构建隧道的三维实测模型以及预测模型，与初始模型进行对比分析，自动生成评估报告，及时对裂纹、渗水等病害进行智能养护，从而避免各种安全隐患。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，利用自动化的模型重建技术，从而能够及时的构建隧道的三维实测模型以及预测模型，与初始模型进行对比分析，自动生成评估报告，及时对裂纹、渗水等病害进行智能养护，从而避免各种安全隐患。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，包括测量数据采集以及预处理模块、与测量数据采集以及预处理模块连接的数据分析模块、以及与数据分析模块连接的智能预测模块；
所述测量数据采集以及预处理模块包括多传感器测量模块、控制和数据采集模块、以及数据预处理模块，所述测量数据采集以及预处理模块用于对目标物进行三维激光扫描产生点云数据并对点云数据预处理；
所述数据分析模块包括三维模型重建模块和有限元模型建立及修正模块，所述数据分析模块用于对三维激光扫描的结果进行3D模型重建；
所述智能预测模块用于对隧道模型未来各个时段的变形情况进行安全评估。
优选地，所述多传感器测量模块包括激光扫描仪和工业相机，所述控制和数据采集模块包括控制台，来自多传感器测量模块的原始数据自动存储并备份至控制台的磁盘矩阵中；所述数据预处理模块从磁盘矩阵中读取数据，通过深度图像配准、平滑散乱点云数据和简化散乱点云数据，对点云数据进行预处理。
优选地，所述三维模型重建模块运用NURBS曲面算法对点云数据分块进行曲面拟合，对试验数据进行回归计算，得到试验条件下曲面模型中各参数的取值；然后，将分割的片面子集拼接，输出点云、三维模型和参数文件。
优选地，所述有限元模型建立及修正模块将设计模型或者其他初始模型进行三维重建，结合各项参数，进行有限元分析，得到材料的变形和裂缝结果；将三维激光扫描仪采集数据与有限元模型进行比对，从而修正有限元模型。
优选地，所述智能预测模块利用修正后的有限元模型，结合其他测量数据，综合分析以及预测腔道结构的风险系数，最后在显示器中显示三维模型图像和未来各个时段的评估报告以及解决方案。
优选地，所述智能预测模块根据预设参数建立FEM模型，分析结构变形情况，将FEM模型变形结果与3D模型进行比较，得出数值比较结果，以曲线或者云图的方式显示。
优选地，所述智能预测模块采用试验设计和回归分析方法，以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间的隐式函数关系，得到简化的结构模型，给出有限元模型修正过程，用数值模拟算例和3D模型结果，实现基于响应面模型的结构有限元模型修正。
优选地，所述智能预测模块利用修正后的FEM模型，智能预测隧道结构未来的变形情况，并进行状态分析，自动生成评估报告，结合国家有关建构物的标准提出建议。
本发明有益效果：
1、本发明所提供的基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，采用一体化设计，集数据采集、软件分析以及预测评估于一体的全自动高智能三维激光扫描设备，彩色触摸显示屏，更易操作，实时获得多个时段的预测评估以及合理方案。
2、本发明所提供的基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，具有良好的兼容性，可直接导出wrl、dxf、ptx、pts、ptc、xyz、xyb、igs、pod等50多种格式的数据，方便与多种行业软件读取数据。本发明还具有Web共享功能，可将扫描图像直接上传至互联网，从而在无需其他辅助软件的情况下，确保客户、供应商和合作伙伴高效共享扫描信息。
3、本发明所提供的基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，人工成本优势高于传统技术5倍以上，而时间成本却只有传统技术的1/10，由于其技术数据的全面性，综合价值更是在10倍以上。
附图说明
图1是本发明的结构方框图；
图2是本发明中三维激光扫描技术的原理图；
图3是本发明中三维激光扫描点云三维重建的流程图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅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的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-图3，一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，包括测量数据采集以及预处理模块1、与测量数据采集以及预处理模块1连接的数据分析模块2、以及与数据分析模块2连接的智能预测模块3；
所述测量数据采集以及预处理模块1包括多传感器测量模块4、控制和数据采集模块5、以及数据预处理模块6，所述测量数据采集以及预处理模块1用于对目标物进行三维激光扫描产生点云数据并对点云数据预处理；
所述数据分析模块2包括三维模型重建模块7和有限元模型建立及修正模块8，所述数据分析模块2用于对三维激光扫描的结果进行3D模型重建；
所述智能预测模块3用于对隧道模型未来各个时段的变形情况进行安全评估。
具体的，所述多传感器测量模块4包括激光扫描仪和工业相机。其中，激光扫描仪采用全角度(full circle)、旋转频率在100转/秒以上、扫描点生产量300000点/秒以上的高速激光扫描设备。其他参考指标(最低)包括：最小有效测量范围<1米；最大有效测量范围>100米；准确度(Accuracy)10毫米；精度(Precision)5毫米，该激光扫描仪将生成高密度点云数据用于建立具体的3D模型。工业相机为1-2台，工业相机的参考指标(最低)包括：5百万像素，2/3"CCD，曝光38微秒到60秒，视角80°(水平)65°(垂直)(5mm lens)。相机将与扫描仪完成标定并添加颜色信息到点云数据，相机数据将增强于模型的可视化并为点云分割提供重要依据。
所述控制和数据采集模块5包括控制台，该控制和数据采集模块以控制台为中心，允许测量员进行基本的设备开启、关闭和监视各部件是否正常接通和工作。设备在启动后会进行自动检测，结果将显示在控制台的显示器上。来自多传感器测量模块的原始数据自动存储并备份至控制台的磁盘矩阵中。
所述数据预处理模块6从磁盘矩阵中读取数据，通过深度图像配准、平滑散乱点云数据和简化散乱点云数据，对点云数据进行预处理。其目的是用少量的不含噪音的数据点集近似取代原始的点云数据，为进一步数据分析打下基础。
具体的，所述三维模型重建模块7运用NURBS曲面算法对点云数据分块进行曲面拟合，对试验数据进行回归计算，得到试验条件下曲面模型中各参数的取值；然后，将分割的片面子集拼接，输出点云、三维模型和参数文件。
具体的，所述有限元模型建立及修正模块8将设计模型或者其他初始模型进行三维重建，结合各项参数，进行有限元分析，得到材料的变形和裂缝结果；将三维激光扫描仪采集数据与有限元模型进行比对，从而修正有限元模型。
具体的，所述智能预测模块3利用修正后的有限元模型，结合其他测量数据，综合分析以及预测腔道结构的风险系数，最后在显示器中显示三维模型图像和未来各个时段的评估报告以及解决方案。
具体的，所述智能预测模块3根据预设参数建立FEM模型，分析结构变形情况，将FEM模型变形结果与3D模型进行比较，得出数值比较结果，以曲线或者云图的方式显示。
具体的，所述智能预测模块3采用试验设计和回归分析方法，以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间的隐式函数关系，得到简化的结构模型，给出有限元模型修正过程，用数值模拟算例和3D模型结果，实现基于响应面模型的结构有限元模型修正。
具体的，所述智能预测模块3利用修正后的FEM模型，智能预测隧道结构未来的变形情况，并进行状态分析，自动生成评估报告，结合国家有关建构物的标准提出建议。
具体的，本发明所述的基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测的方法包括以下步骤：
步骤1、对目标物进行三维激光扫描和对点云数据预处理
利用三维激光扫描仪扫描目标物，得到建构物各区域点云数据，存储于移动设备的磁盘矩阵中。对点云数据进行坐标纠正，使相邻区域点云图上有三个以上的同名控制点和控制标靶，将相邻的点云统一到同一个坐标系下。对数据进行滤波，减少数据的噪声点。将仪器坐标系下的点云转化到当地或者全球坐标系统下，这样，初始化点云构建成功。
步骤2、对三维激光扫描的结果进行3D模型重建
按照工程的需求、硬件设备计算和存储的能力，将点云数据简化。对点云数据进行数据分割，划分到不同的点云子集中，每个点云子集代表同一种曲面形式。依次对每一个点云子集进行曲面拟合：运用NURBS曲面算法进行曲面拟合，对试验数据进行回归计算，得到试验条件下公式模型中各参数的取值范围。最终用较少的几个参数分片描述扫描的点云，得到分片3D模型。接着，将各个片面子集拼接得到完整模型，输出点云、3D模型和参数文件，三维激光扫描点云三维重建流程图如图3所示。
步骤3、建立FEM模型，与3D模型比较
根据预设参数建立FEM模型，分析结构变形情况。将FEM模型变形结果与3D模型进行比较，得出数值比较结果，以曲线或者云图的方式显示。
步骤4、FEM模型修正
采用试验设计和回归分析方法,以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间复杂的隐式函数关系,得到简化的结构模型(Meta-model),给出有限元模型修正过程。主要包括方差分析的参数选取、回归分析的响应面的拟合以及利用响应面进行有限元模型修正。针对复杂的结构讨论样本选择、修正参数选取以及如何从众多因素中较合理地建立结构的响应面模型。用数值模拟算例和3D模型结果,实现基于响应面模型的结构有限元模型修正。基于响应面方法的有限元模型修正和验证,能显著提高修正的效率,计算简洁、迭代收敛快,避开每次迭代都需要进行有限元计算。
步骤5、利用FEM模型进行安全预测
利用修正后的FEM模型，智能预测结构未来的变形情况，并进行安全评估，自动生成评估报告，结合国家有关建构物的标准提出建议。
步骤6、分析结果显示在同一个平台中，显示三维扫描结果、3D模型和FEM模型，其中三维测量结果以点云形式显示，三维模型重建和FEM模型结果以曲面形式显示。可以进行动态显示，并能通过鼠标点击或者对话框输入坐标值获得对应位置处的FEM数据结果与三维测量数据结果，得到一种可视化的、可多角度、全方位观察的三维效果图，通过鼠标操作即可实现缩放、旋转、视图选择、局部窗口显示。可以进行FEM数据与实验测试数据的误差分析，以曲线或者以云图的方式进行显示。以图片格式输出误差分析图示结果。通过分析结果的显示，使用者能更直观、全面地了解建构物目前的状况和对未来的预测，具有良好的人机界面。
综上所述，该基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，利用自动化的模型重建技术，从而能够及时的构建隧道的三维实测模型以及预测模型，与初始模型进行对比分析，自动生成评估报告，及时对裂纹、渗水等病害进行智能养护，从而避免各种安全隐患。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，其特征在于：包括测量数据采集以及预处理模块、与测量数据采集以及预处理模块连接的数据分析模块、以及与数据分析模块连接的智能预测模块；
所述测量数据采集以及预处理模块包括多传感器测量模块、控制和数据采集模块、以及数据预处理模块，所述测量数据采集以及预处理模块用于对目标物进行三维激光扫描产生点云数据并对点云数据预处理；
所述数据分析模块包括三维模型重建模块和有限元模型建立及修正模块，所述数据分析模块用于对三维激光扫描的结果进行3D模型重建；
所述智能预测模块用于对隧道模型未来各个时段的变形情况进行安全评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，其特征在于：所述多传感器测量模块包括激光扫描仪和工业相机，所述控制和数据采集模块包括控制台，来自多传感器测量模块的原始数据自动存储并备份至控制台的磁盘矩阵中；所述数据预处理模块从磁盘矩阵中读取数据，通过深度图像配准、平滑散乱点云数据和简化散乱点云数据，对点云数据进行预处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，其特征在于：所述三维模型重建模块运用NURBS曲面算法对点云数据分块进行曲面拟合，对试验数据进行回归计算，得到试验条件下曲面模型中各参数的取值；然后，将分割的片面子集拼接，输出点云、三维模型和参数文件。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，其特征在于：所述有限元模型建立及修正模块将设计模型或者其他初始模型进行三维重建，结合各项参数，进行有限元分析，得到材料的变形和裂缝结果；将三维激光扫描仪采集数据与有限元模型进行比对，从而修正有限元模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，其特征在于：所述智能预测模块利用修正后的有限元模型，结合其他测量数据，综合分析以及预测腔道结构的风险系数，最后在显示器中显示三维模型图像和未来各个时段的评估报告以及解决方案。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，其特征在于：所述智能预测模块根据预设参数建立FEM模型，分析结构变形情况，将FEM模型变形结果与3D模型进行比较，得出数值比较结果，以曲线或者云图的方式显示。
7.根据权利要求5所述的一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，其特征在于：所述智能预测模块采用试验设计和回归分析方法，以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间的隐式函数关系，得到简化的结构模型，给出有限元模型修正过程，用数值模拟算例和3D模型结果，实现基于响应面模型的结构有限元模型修正。
8.根据权利要求7所述的一种基于三维激光扫描技术的隧道结构健康监测系统，其特征在于：所述智能预测模块利用修正后的FEM模型，智能预测隧道结构未来的变形情况，并进行状态分析，自动生成评估报告，结合国家有关建构物的标准提出建议。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220322 |
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