[發(fā)明專利]一種基于三維激光點(diǎn)云幾何特征的建筑物變形監(jiān)測方法

有效

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• 申請日: 2021-08-16
• 公開（公告）號(hào): CN113804118B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 生曉高;杜燦陽;李代茂;李端有;萬鵬;譚勇;梁毅;萬天赴;陸岸典;石文廣;喬國龍;鄒雙朝;楊勝梅;黎建州;秦朋
• 申請（專利權(quán)）人: 長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院;廣東粵海珠三角供水有限公司
• 主分類號(hào): G01B11/16
• 分類號(hào): G01B11/16
• 代理公司: 武漢楚天專利事務(wù)所 42113
• 代理人: 孔敏

本發(fā)明提供一種基于三維激光點(diǎn)云幾何特征的建筑物變形監(jiān)測方法，包括三維激光數(shù)據(jù)獲取、多站點(diǎn)云配準(zhǔn)、單體建筑物提取、建筑物線面擬合、線面幾何參數(shù)提取、建筑物變形分析等步驟。本發(fā)明提出的基于特征的建筑物變形監(jiān)測方法能夠克服現(xiàn)有方法對三維激光掃描儀精度要求苛刻，易引入多站點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差和需要高精度控制點(diǎn)布設(shè)的缺點(diǎn)，充分利用三維激光掃描獲取的點(diǎn)云分布信息，能夠有效利用大量點(diǎn)云擬合帶來的高精度和高穩(wěn)定性優(yōu)勢，三維點(diǎn)云中提取的建筑物幾何特征及其變化信息也能夠更加直觀地反映建筑物的形變特征，及時(shí)有效地為建筑物的施工和管理提供安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及三維激光掃描建筑物監(jiān)測領(lǐng)域，具體是一種基于三維激光點(diǎn)云幾何特征的建筑物變形監(jiān)測方法。

背景技術(shù)

建筑物的變形監(jiān)測是評(píng)估建筑物安全性態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑物安全問題，保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的必要任務(wù)。尤其是在大型地下工程施工時(shí)，由于地質(zhì)條件的改變，會(huì)造成地表沉降，進(jìn)而導(dǎo)致地表建筑物的不均勻形變。傳統(tǒng)的建筑物監(jiān)測方法是利用全站儀和水準(zhǔn)儀對建筑物某一特征位置(如邊緣點(diǎn)、角點(diǎn))進(jìn)行多期水平位移和沉降監(jiān)測，進(jìn)而得到建筑物的形變信息，分析形變規(guī)律。這種監(jiān)測方法精度高，速度快，但卻存在以下幾方面問題：

1)特定點(diǎn)的位移和沉降有時(shí)無法反映建筑物的整體形變狀態(tài)；

2)無法獲取建筑物平面平整度、撓度等面狀信息；

3)對于不便于架設(shè)棱鏡和水準(zhǔn)尺的建筑物上部施測難度大、精度低；

4)若增加測點(diǎn)的采樣密度，則會(huì)大大降低監(jiān)測效率。

隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，地基三維激光掃描儀在工程安全監(jiān)測和三維建模領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。三維激光掃描儀能夠快速地獲取周邊地物大量三維點(diǎn)云，能夠以毫米級(jí)的采樣密度對目標(biāo)建筑物進(jìn)行觀測，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方法監(jiān)測點(diǎn)密度不足的問題。近年來，三維激光掃描儀的測量精度不斷提高，在近距離觀測時(shí)，其測量精度已能夠達(dá)到一般全站儀的水平，因此能夠用于建筑物的變形監(jiān)測。在對特定建筑物進(jìn)行長期變形監(jiān)測時(shí)，可將三維激光掃描儀架設(shè)在固定觀測墩上，并在另兩個(gè)穩(wěn)定控制點(diǎn)上架設(shè)標(biāo)靶，利用后方交會(huì)獲取建筑物在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并將多期點(diǎn)云進(jìn)行對比，以獲取建筑物的變形量及空間分布。然而，對于大范圍的建筑群落，三維激光掃描技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用尚存在以下難點(diǎn)：

1)無法設(shè)立固定觀測墩，臨時(shí)引入的控制點(diǎn)精度不足且點(diǎn)位難以保存，不利于多期重復(fù)觀測；

2)由于多期數(shù)據(jù)采集時(shí)掃描站不在同一位置，因此難以將多期點(diǎn)云逐點(diǎn)一一對應(yīng)，以判斷其位移量；

3)需要在建筑物上布設(shè)永久標(biāo)靶，標(biāo)靶布設(shè)和管理難度較大。

一些研究采用了點(diǎn)云三維建模，兩期模型對比的方式監(jiān)測建筑物的變形量，但該類方法僅能取得變形量的大小，在無特征點(diǎn)時(shí)無法獲得變形發(fā)生的準(zhǔn)確方向。例如，新疆第一測繪院利用三維激光掃描技術(shù)對新疆大劇院進(jìn)行了變形監(jiān)測，在掃描時(shí)將三維激光掃描儀架設(shè)在固定觀測墩上，為了避免多站點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度損失，因此只采用單站掃描數(shù)據(jù)對比分析了新疆大劇院的變形情況，其變形分析方法為構(gòu)建三維表面模型后對比多期模型的平均位移變化量。這種方法在一定程度上反映了建筑物的整體形變程度，但無法取得形變的具體方位，也未取得建筑物各結(jié)構(gòu)間幾何關(guān)系的變化量。此外，點(diǎn)云或模型直接比對的方法受三維激光掃描儀測量精度和控制點(diǎn)精度的影響較大。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于三維激光點(diǎn)云幾何特征的建筑物變形監(jiān)測方法，該方法能夠有效利用大量點(diǎn)云擬合帶來的高精度和高穩(wěn)定性優(yōu)勢，更加直觀地反映建筑物的形變特征，及時(shí)有效地為建筑物的施工和管理提供安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：

一種基于三維激光點(diǎn)云幾何特征的建筑物變形監(jiān)測方法，包括下述步驟：