CN116123997B - 一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置，包括设置在三角架上的扫描仪主体和设置在框架上的标靶，所述三角架上固定嵌设有轴承，所述轴承内固定有通过电机驱动转动的转轴；一种基于三维激光的桥梁几何形态提取方法，包括以下步骤：预先对检测桥梁段进行勘探，并设置测站，摆放标靶球，其相邻测站具有三组以上相同标靶；基于测站完成对检测桥梁段的扫描，离线扫描测站数据信息。本发明实现了无需对被测物体进行表面处理，无需使用棱镜、反射片等合作目标的非接触测量，可以适应环境条件苛刻的工作区域，在人员远程操控下进行独立工作，摆脱时间条件和空间条件的约束，从而进行长时间高效率的工作。

Description

一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置及其方法

技术领域

本发明涉及桥梁测量技术领域，尤其涉及一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置及其方法。

背景技术

桥梁在长期的动、静荷载和自然老化作用下，结构的累计损伤会影响到桥梁的表观变形，因此可以认为桥梁几何形态变化及发展趋势是桥梁结构安全预警的关键指标与依据。

目前，使用接触测定的方法进行测量难度较大、成本较高；而传统的全站仪、水准仪等测定仪，误差源较多，应用于桥梁检测时精度难以控制。

检索中国发明专利CN112192741A公开了一种关于节段预制桥梁测量精度分析的数控方法，其通过对同一片预制节段梁三个不同测量阶段所测得梁顶板测点的数据，基于两两测点之间距离在三个不同测量阶段应该是相同的理论，对三个测量阶段的两两测点之间距离进行两两对比，以计算某测量阶段的两两测点之间与其他测量阶段的两两测点之间距离是否相差过大，即是否超过设定阈值，进而判断得出某个测量阶段的某个测点测量精度是否存在较大误差。通过提供对测量精度进行分析判断的数控方法，实现了对节段预制过程测量的精度控制，减少了人为判断测量数据精度错误的可能性，但其仍存在测量难度较大、成本较高，且存在精度低的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中的问题，而提出的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置及其方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置，包括设置在三角架上的扫描仪主体和设置在框架上的标靶，所述三角架上固定嵌设有轴承，所述轴承内固定有通过电机驱动转动的转轴，所述转轴的上端固定有固定板，所述扫描仪主体的端部与固定板的上侧壁转动连接，所述扫描仪主体的上侧壁固定有水平仪一和连板，所述连板的端部固定有朝向水平仪一设置的摄像机和补光源，所述固定板上固定嵌设有伸缩杆，所述伸缩杆的驱动端与扫描仪主体的下侧壁相接触；

所述框架的上侧壁开设有开口，所述开口内固定有马达，所述马达的驱动端固定连接有绕线盘，所述绕线盘上缠绕有绳索，所述标靶固定在绳索的端部，所述标靶的外壁固定有水平仪二，所述标靶的下端固定嵌设有开关，所述开关通过导线和电源连接有固定在标靶外壁上的警报器。

优选地，所述三角架的上侧壁固定连接有支撑板，所述支撑板的端部固定有箱体，所述箱体内固定有润滑油罐，所述润滑油罐的下侧壁连接有排油管，所述排油管上滑动插设有移动杆，所述移动杆上开设有用于连通排油管的通口。所述移动杆的右端与箱体的内壁之间固定连接有伸缩弹簧，所述移动杆的左端固定连接有磁铁块一，所述转轴的外壁上固定连接有位于磁铁块一左侧的磁铁块二。

优选地，所述排油管的下端贯穿箱体内底壁设置并固定连接有与轴承上侧壁相接触的刮板。

一种基于三维激光的桥梁几何形态提取方法，包括以下步骤：

预先对检测桥梁段进行勘探，并设置测站，摆放标靶球，其相邻测站具有三组以上相同标靶；

基于测站完成对检测桥梁段的扫描，离线扫描测站数据信息；

基于三维激光扫描仪，导入扫描测站数据信息，获取三维数据信息；

进行对三维数据信息点云过滤，包括三维数据信息过滤和去噪处理；

进行对三维数据信息点云拼接，包括对测站内标靶球进行识别和进行标靶球拼接；

进行对三维数据信息点云着色，对标靶球拼接完成进行着色；

将处理后三维数据信息与测量数据对比分析，将不同时期扫描结果判断几何形态变化，分析其受力体系变化，从而达到桥梁安全预警的作用。

优选地，相邻所述测站测距小于50m。

优选地，所述对三维数据信息点云过滤，包括混淆像元过滤器、强度过滤器、无效点过滤器、距离过滤、单像元过滤和抽稀过滤。

优选地，所述点云拼接，包括进行各测站间采用标靶球拼接，包括以下步骤：

预先分别打开每一测站，确定测站内的标靶球，选择标靶球进行识别；

将不同位置的标靶球作唯一编号，并保证多测站中同一个标靶球编号相同；

所有测站的标靶球标识完成后，进行标靶球拼接，其中进入拼接界面后选择所有站点，选择所有标靶球及整平，进入拼接算法界面利用处理软件最小二乘算法将点云拼接到一起。

优选地，待拼接完成后，获取当前每一个标靶球的拼接误差，并进行校准完善。

与现有的技术相比，本一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置及其方法的优点在于：

本发明基于三维激光的桥梁几何形态提取方法，通过对检测桥梁段进行勘探，并设置测站，摆放标靶球，基于测站完成对检测桥梁段的扫描，离线扫描测站数据信息；基于三维激光扫描仪，获取三维数据信息，进行对三维数据信息点云过滤，点云拼接，点云着色，将处理后三维数据信息与测量数据对比分析，将不同时期扫描结果判断几何形态变化，分析其受力体系变化，从而达到桥梁安全预警的作用，不需要事前埋设监测设备，不需要接触测量物体，能够全自动快速清晰地获取被扫描物体整体或局部连续的密集点数据，从而不断逼近目标的原型，最后实现三维重建，实现了无需对被测物体进行表面处理，无需使用棱镜、反射片等合作目标的非接触测量，可以适应环境条件苛刻的工作区域，在人员远程操控下进行独立工作，摆脱时间条件和空间条件的约束，从而进行长时间高效率的工作。

附图说明

图1为本发明提出的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置中三角架与扫描仪主体连接的结构示意图；

图2为本发明提出的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置中排油管的结构示意图；

图3为图1中A部分结构的放大图；

图4为本发明提出的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置中框架的结构示意图；

图5为本发明提出的一种基于三维激光的桥梁几何形态提取方法的流程示意图。

图中：1三角架、2轴承、3转轴、4固定板、5扫描仪主体、6伸缩杆、7水平仪一、8补光源、9摄像机、10箱体、11润滑油罐、12排油管、13移动杆、14磁铁块一、15磁铁块二、16伸缩弹簧、17刮板、18框架、19马达、20绕线盘、21标靶、22开关、23水平仪二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置，包括设置在三角架1上的扫描仪主体5和设置在框架18上的标靶21，三角架1上固定嵌设有轴承2，轴承2内固定有通过电机驱动转动的转轴3，转轴3的上端固定有固定板4，扫描仪主体5的端部与固定板4的上侧壁转动连接，扫描仪主体5的上侧壁固定有水平仪一7和连板，连板的端部固定有朝向水平仪一7设置的摄像机9和补光源8，固定板4上固定嵌设有伸缩杆6，伸缩杆6的驱动端与扫描仪主体5的下侧壁相接触；

三角架1放置后，进行扫描仪主体5的使用之前，先进行扫描仪主体5的调水平，伸缩杆6的驱动端伸出或收回，使扫描仪主体5上移摆动，通过摄像机9观察水平仪一7的情况，待水平仪一7水平后，停止伸缩杆6的运动。

框架18的上侧壁开设有开口，开口内固定有马达19，马达19的驱动端固定连接有绕线盘20，绕线盘20上缠绕有绳索，标靶21固定在绳索的端部，标靶21的外壁固定有水平仪二23，标靶21的下端固定嵌设有开关22，开关22通过导线和电源连接有固定在标靶21外壁上的警报器，框架18放置在测站内，进行标靶21的放置时，通过马达19带动绕线盘20转动，使绳索展开，标靶21自身垂下，垂直地面运动，保证了标靶21的水平，当开关22与地面接触时，警报器通电发出警报，关闭马达19的工作，标靶21的位置水平。

三角架1的上侧壁固定连接有支撑板，支撑板的端部固定有箱体10，箱体10内固定有润滑油罐11，润滑油罐11的下侧壁连接有排油管12，排油管12上滑动插设有移动杆13，移动杆13上开设有用于连通排油管12的通口，移动杆13的右端与箱体10的内壁之间固定连接有伸缩弹簧16，移动杆13的左端固定连接有磁铁块一14，转轴3的外壁上固定连接有位于磁铁块一14左侧的磁铁块二15，排油管12的下端贯穿箱体10内底壁设置并固定连接有与轴承2上侧壁相接触的刮板17，在扫描仪主体5转动的过程中进行多范围测量时，当磁铁块二15与磁铁块一14相对时，通过磁性斥力推动移动杆13往右侧移动，此时通口与排油管12内部连通，润滑油罐11内的润滑油即可通过通口漏出至轴承2内，在轴承2内圈转动以及与刮板17的相接触过程中，能将润滑油均匀涂抹在轴承2外壁上，避免了转轴3转动过程中摩擦力过大，避免了卡死震动等问题，保证了扫描仪主体5运行的稳定。

参照图5，一种基于三维激光的桥梁几何形态提取方法，包括以下步骤：

预先对检测桥梁段进行勘探，并设置测站（框架18设置在测站内），摆放标靶球，其相邻测站具有三组以上相同标靶；

相邻测站测距小于50m；

基于测站完成对检测桥梁段的扫描，离线扫描测站数据信息；

基于三维激光扫描仪，导入扫描测站数据信息，获取三维数据信息；

对三维数据信息点云过滤，包括混淆像元过滤器、强度过滤器、无效点过滤器、距离过滤、单像元过滤和抽稀过滤；

进行对三维数据信息点云过滤，包括三维数据信息过滤和去噪处理；

进行对三维数据信息点云拼接，包括对测站内标靶球进行识别和进行标靶球拼接；

进行对三维数据信息点云着色，对标靶球拼接完成进行着色；

将处理后三维数据信息与测量数据对比分析，将不同时期扫描结果判断几何形态变化，分析其受力体系变化，从而达到桥梁安全预警的作用。

点云拼接，包括进行各测站间采用标靶球拼接，包括以下步骤：

预先分别打开每一测站，确定测站内的标靶球，选择标靶球进行识别；

将不同位置的标靶球作唯一编号，并保证多测站中同一个标靶球编号相同；

有测站的标靶球标识完成后，进行标靶球拼接，其中进入拼接界面后选择有站点，选择有标靶球及整平，进入拼接算法界面利用处理软件最小二乘算法将点云拼接到一起，待拼接完成后，获取当前每一个标靶球的拼接误差，并进行校准完善。

借助于上述技术方案，通过对检测桥梁段进行勘探，并设置测站，摆放标靶球，基于测站完成对检测桥梁段的扫描，离线扫描测站数据信息；基于三维激光扫描仪，获取三维数据信息，进行对三维数据信息点云过滤，点云拼接，点云着色，将处理后三维数据信息与测量数据对比分析，将不同时期扫描结果判断几何形态变化，分析其受力体系变化，从而达到桥梁安全预警的作用，不需要事前埋设监测设备，不需要接触测量物体，能够全自动快速清晰地获取被扫描物体整体或局部连续的密集点数据，从而不断逼近目标的原型，最后实现三维重建，实现了无需对被测物体进行表面处理，无需使用棱镜、反射片等合作目标的非接触测量，可以适应环境条件苛刻的工作区域，在人员远程操控下进行独立工作，摆脱时间条件和空间条件的约束，从而进行长时间高效率的工作。

另外，具体的，包括以下步骤：

对检测桥梁段进行勘探，根据现场实际情况设置测站，摆放标靶球符合操作要求。相邻测站具有3个以上相同标靶；

取出三脚架，使其大致平整，拿出主机，平稳放置在三脚架上，拧紧脚架上的螺丝到主机三角基座上，保证连接坚固；

进入仪器设置，分辨率设置high，以达到高质量扫描。在主界面上点击“正在扫描”、“整平”，调出电子气泡，调整主机三角基座的三个角螺旋，使电子气泡到中央位置，屏幕上两个角度差保证在±0.01度以内；

所有设置都已完成后，开始扫描，等待“滴”一声，仪器完全停止转动后，扫描完成，旋转打开三角基座一侧的卡槽；

重复上述步骤，完成所有测站扫描；

再次检查及评测扫描的完整性，如果明显的目标扫描信息不全，及时增加扫描站；

待所有测站完成扫描后，在主界面中，点击【文件管理】，进入扫描数据文件管理界面，找到之前命名的工程目录文件夹，可以查看所有的扫描测站数据，选择【复制】，将扫描测站数据复制到外部存储器，供后续数据处理。

另外，对于上述数据处理，具体为：

点云导入：内业通过三维激光扫描仪自带软件可以快速处理海量的点云大数据，形成完整的三维数据。打开处理软件，进入主界面。Open project工程文件，即导入工程内的所有扫描测站数据。

点云去噪：将扫描数据导入处理软件后，选择预处理模块，一键式预处理，预处理主要利用软件的蒙版工具对点云过滤。主要过滤工具包括混淆像元过滤器、强度过滤器、无效点过滤器、距离过滤、单像元过滤、抽稀过滤等。预处理过程，一键式操作后，即自动做过滤、去噪等复杂预处理操作，过程比较慢。

点云拼接：选择拼接模块。各测站间采用标靶球拼接，分别打开每一站，找到站内的标靶，选择球形标靶进行识别，将不同位置的标靶做唯一编号，并保证多站中同一个标靶编号相同。所有站的标靶标识完成后，选择标靶拼接方式，进入拼接界面后选择所有站点，选择所有标靶及整平，点击下一步进入拼接算法界面，利用处理软件最小二乘算法（默认算法）将点云拼接到一起。除此之外处理软件还提供了 其它的拼接方式，例如自动识别标靶拼接、标靶板拼接、公共点拼接、Cloud to Cloud拼接、导线标定拼接、Plane to Plane拼接。

待拼接完成后，会弹出拼接报告，显示出当前每一个标靶的拼接误差。所有红色的字体表示拼接误差不满足或拼接错误，需要对相关站数据及标靶重新选取等操作。重复上述步骤，直至没有拼接警告出现。

点云着色：选择着色模块。点击最左侧画板状图标，表示一键着色按钮。选择所有扫描站，保持默认设置，一键对所有站点进行着色。

数据导出：导出对话框，一般保持默认.asc通用点云格式即可，选择要存储的目标目录，即可导出点云数据。三维激光扫描仪自带软件导出点云的通用格式.asc或.xyz，为同一种存储格式。

此外，在应用时，其合理布置测站。由于桥梁结构庞大，可能要进行多次的扫描进行拼接，所以需要根据待测对象现场环境状况合理布置测站的数量及位置，使得测距尽可能不超过50m.减少因为测距过长带来的误差；对各测站设置控制网，减少测站拼接时的累积误差。使用高精度全站仪观测各个标靶的坐标，形成全桥高精度控制网；由于控制网是由高精度全站仪控制，误差较小。且各个测站之间相互独立，拼接点云数据时，没有多站误差的累积。分期进行三维激光扫描，并对扫描结果进行处理；处理好的扫描结果与传统测量数据对比分析，验证其准确性，将不同时期扫描结果判断几何形态变化；扫描结果拟合封装模型导入有限元分析软件，从而分析其受力体系变化，从而达到桥梁安全预警的作用。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，可实现如下效果：

1、三维激光扫描技术相对于传统的桥梁变形检测手段（水准仪、全站仪、GPS、摄影技术等）来讲.不需要事前埋设监测设备，不需要接触测量物体，能够全自动快速清晰地获取被扫描物体整体或局部连续的密集点数据.从而不断逼近目标的原型•最后实现三维重建，这是常规测量仪器和测量手段所不能达到的。

2、三维激光扫描技术采用数字化、自动化激光测距解算被测物体空间信息的工作方式，实现了无需对被测物体进行表面处理，无需使用棱镜、反射片等合作目标的非接触测量。这使三维激光扫描技术可以适应环境条件苛刻的工作区域，在人员远程操控下进行独立工作。

3、三维激光扫描技术使用仪器自身发射的激光源对待测物体进行三维空间信息测量，其实质是主动遥感的一种。这种工作方式可以适应各种光照条件，可以在没有外界光源的条件下进行主动遥感测量，因此三维激光扫描技术可以摆脱时间条件和空间条件的约束，从而进行长时间高效率的工作。

4、点云数据包含了点云三维坐标、像素、反射强度、RGB等元数据信息，通过仪器自带的后处理软件，可以实现点云特征提取及各类逆向工程应用

进一步说明，上述固定连接，除非另有明确的规定和限定，否则应做广义理解，例如，可以是焊接，也可以是胶合，或者一体成型设置等本领域技术人员熟知的惯用手段。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置，包括设置在三角架（1）上的扫描仪主体（5）和设置在框架（18）上的标靶（21），其特征在于，所述三角架（1）上固定嵌设有轴承（2），所述轴承（2）内固定有通过电机驱动转动的转轴（3），所述转轴（3）的上端固定有固定板（4），所述扫描仪主体（5）的端部与固定板（4）的上侧壁转动连接，所述扫描仪主体（5）的上侧壁固定有水平仪一（7）和连板，所述连板的端部固定有朝向水平仪一（7）设置的摄像机（9）和补光源（8），所述固定板（4）上固定嵌设有伸缩杆（6），所述伸缩杆（6）的驱动端与扫描仪主体（5）的下侧壁相接触；

所述框架（18）的上侧壁开设有开口，所述开口内固定有马达（19），所述马达（19）的驱动端固定连接有绕线盘（20），所述绕线盘（20）上缠绕有绳索，所述标靶（21）固定在绳索的端部，所述标靶（21）的外壁固定有水平仪二（23），所述标靶（21）的下端固定嵌设有开关（22），所述开关（22）通过导线和电源连接有固定在标靶（21）外壁上的警报器；

所述三角架（1）的上侧壁固定连接有支撑板，所述支撑板的端部固定有箱体（10），所述箱体（10）内固定有润滑油罐（11），所述润滑油罐（11）的下侧壁连接有排油管（12），所述排油管（12）上滑动插设有移动杆（13），所述移动杆（13）上开设有用于连通排油管（12）的通口，所述移动杆（13）的右端与箱体（10）的内壁之间固定连接有伸缩弹簧（16），所述移动杆（13）的左端固定连接有磁铁块一（14），所述转轴（3）的外壁上固定连接有位于磁铁块一（14）左侧的磁铁块二（15）；

所述排油管（12）的下端贯穿箱体（10）内底壁设置并固定连接有与轴承（2）上侧壁相接触的刮板（17）。

2.如权利要求1所述的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置的桥梁几何形态提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

预先对检测桥梁段进行勘探，并设置测站，摆放标靶球，其相邻测站具有三组以上相同标靶；

基于测站完成对检测桥梁段的扫描，离线扫描测站数据信息；

基于三维激光扫描仪，导入扫描测站数据信息，获取三维数据信息；

进行对三维数据信息点云过滤，包括三维数据信息过滤和去噪处理；

进行对三维数据信息点云拼接，包括对测站内标靶球进行识别和进行标靶球拼接；

进行对三维数据信息点云着色，对标靶球拼接完成进行着色；

将处理后三维数据信息与测量数据对比分析，将不同时期扫描结果判断几何形态变化，分析其受力体系变化，从而达到桥梁安全预警的作用。

3.根据权利要求2所述的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置的桥梁几何形态提取方法，其特征在于，相邻所述测站测距小于50m。

4.根据权利要求2所述的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置的桥梁几何形态提取方法，其特征在于，所述对三维数据信息点云过滤，包括混淆像元过滤器、强度过滤器、无效点过滤器、距离过滤、单像元过滤和抽稀过滤。

5.根据权利要求4所述的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置的桥梁几何形态提取方法，其特征在于，所述点云拼接，包括进行各测站间采用标靶球拼接，包括以下步骤：

预先分别打开每一测站，确定测站内的标靶球，选择标靶球进行识别；

将不同位置的标靶球作唯一编号，并保证多测站中同一个标靶球编号相同；

所有测站的标靶球标识完成后，进行标靶球拼接，其中进入拼接界面后选择所有站点，选择所有标靶球及整平，进入拼接算法界面利用处理软件最小二乘算法将点云拼接到一起。

6.根据权利要求5所述的一种桥梁几何形态提取用三维激光扫描装置的桥梁几何形态提取方法，其特征在于，还包括以下步骤：

待拼接完成后，获取当前每一个标靶球的拼接误差，并进行校准完善。