[發(fā)明專利]一種基于三維激光掃描技術的建筑物整體變形監(jiān)測方法

有效

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• 申請日: 2014-02-27
• 公開（公告）號: CN103940356A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設計）人: 周保興;葛顏慧;李晉
• 申請（專利權）人: 山東交通學院
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發(fā)明涉及建筑領域，具體涉及一種建筑物變形監(jiān)測方法。

背景技術

建筑物的整體位移包括整體平移、升降、轉動和傾斜等，主要反映了建筑物整體變形的情況。目前，建筑物整體位移的監(jiān)測技術已經從傳統(tǒng)的大地測量技術發(fā)展到了GPS技術，與之相對應的監(jiān)測方法及理論研究都已經比較深入，并且利用這些方法測量到的點位位移比較精確，但上述手段都是一種單點式監(jiān)測，也就是說只對建筑物上重要部位建立的觀測點進行監(jiān)測，其缺點為監(jiān)測點數少，難以發(fā)現無監(jiān)測點區(qū)域的變形情況，而且監(jiān)測點一旦被破壞會嚴重影響資料的連續(xù)性，對建筑物的整體變形，比如整個墻面的傾斜、房屋結構的形變等缺乏整體分析。

發(fā)明內容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種可綜合完整連續(xù)的反映建筑物變形情況的基于三維激光掃描技術的建筑物整體變形監(jiān)測方法。

技術方案：本發(fā)明提供了一種基于三維激光掃描技術的建筑物整體變形監(jiān)測方法，如圖1所示，包括以下步驟：

（1）獲取建筑物點云數據：利用三維激光掃描技術，掃描得到變形前后建筑物完整的點云數據；

（2）分割點云數據：將變形前后的點云數據按建筑物表面特征分別進行分割，得到分割后各子區(qū)域點云數據；

（3）數據規(guī)則化：對變形前后各子區(qū)域點云數據進行規(guī)則化，形成按行、列順序排列的規(guī)則點云數據；

（4）點云數據空間特征提取：計算變形前后各個子區(qū)域點云模型的空間特征向量，并根據特征向量構建相應的空間特征坐標系統(tǒng)；

（5）點云模型變形分析：根據建筑物點云模型每一子區(qū)域在變形前后的特征坐標系，計算該子區(qū)域的變形量，即平移量Δx_i、Δy_i、Δz_i和旋轉角度α_i、β_i、γ_i，并由以上特征坐標系的空間變形量，判斷分析建筑物點云模型各子區(qū)域在空間中變形情況；

（6）建筑物整體變形情況判斷：根據變形前后建筑物點云模型各子區(qū)域變形情況，分析建筑物各部分變形情況是否一致，若變形情況一致，則說明建筑物發(fā)生了整體變形，否則，說明建筑物各部分點云模型之間發(fā)生了相對變形。

本發(fā)明采用三維激光格網掃描方式對建筑物進行掃描，能夠高精度、高密度、高速度和免棱鏡地測量建筑物表面點，具有高時間分辨率、高空間分辨率和測量精度均勻等特點，不但可以測量單點的坐標，而且能以點云的方式獲取幾乎整個觀測目標表面的空間信息，能較好地觀測出目標的整體空間姿態(tài)，分析出建筑物的整體變形；同時，三維激光掃描儀工作的時候不用在觀測目標上設置觀測站點，這就為觀測不能涉足的目標(比如地震后的危房)提供了較好的幫助。

進一步，為了避免PCA算法進行點云數據特征提取易產生特征向量的不確定性、二義性和特征方向的二義性等問題，步驟（4）提取建筑物點云模型特征向量的方法采用改進的PCA算法，包括以下步驟：

a、點云數據規(guī)則化：對曲面點云進行規(guī)則化，形成均勻分布的點云數據；

b、特征向量方向修正：PCA算法提取出的特征向量存在兩個方向，對特征向量的方向做以下調整：

①確定基準方向：采用空間坐標系中x、y、z軸的正方向為基準方向，即基準方向向量為a＝[100]、b＝[010]、c＝[001]；

②確定特征向量對應的參考方向：根據PCA特征向量P₁、P₂、P₃和基準方向向量a、b、c，計算出各特征向量同基準方向的夾角余弦，具體表達式為：