本发明提供了一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，在对桥墩进行点云扫描后包括点云按照Z值分层、生成切片影像、影像直线检测、生成桥墩面缓冲区、导出桥墩面点云、生成桥墩基准面和计算桥墩位姿等步骤。本发明的方法对海量点云数据分层处理，在处理桥墩高度大于60m的高墩点云数据时无需打开全部点云数据，对硬件要求低，易用性与普适性较强；数据处理可以实现自动化，无需人为干预即可得到高墩垂直度数据和位姿图，根据桥墩位姿图可以直观地获取高墩面垂直信息；可以测量表面无明显角特征点的、非圆形桥墩以及圆柱形桥墩的垂直度，适应性较强。
1.一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：扫描桥墩获取调平后相应的点云原始坐标数据D总；
步骤2：按照Z轴方向将D总均分为n层，舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心过远和过近的点；各层的数据Di按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内，并生成总索引文件用于记录点云文件层数n、各层点云文件的数据量Qi和各层数据的Z坐标范围Zi∈(Z低i，Z高i)；其中i＝
步骤3：删去Qi<106的层数，剩余总层数m，并更新总索引文件，同时记录总剩余点云中最高点Z坐标Z顶与最低点Z坐标Z底；
步骤4：设a为最小有效层高，根据步骤3中总索引文件选取所在的点云层数Di，取此Z值范围内的点云Da，并在
XOY面投影，得到 处点云切片平面二值图像Pa，按
步骤5：对Pa0进行多尺度Hough变换探测直线对象，生成文件Ra记录直线探测结果；
的直线探测结果文件Ra-b，其中b为桥墩设计高度的
步骤7： Pa0、 按照比例放大后记为P′a+b、Pa′、P′a-b；Ra+b，Ra，Ra-b中探测直线坐标同时按照比例放大后记为R′a+b，R′a，R′a-b；进一步在每条已探测直线周围设置半径为桥墩设计高度的1‰的缓冲区，缓冲区范围信息存入R′a+b，R′a，R′a-b中；
分别将R′a+b、R′a-b中每条探测直线的缓冲区面积 与R′a中相同位置探测直线的缓冲区面积 代入公式1)计算重叠度Ca+b和Ca-b；
记录R′a+b，R′a，R′a-b中Ca+b≥0.8∩Ca-b≥0.8对应Z值范围的对应直线、直线编号与其缓冲区范围并按照对应Z值范围分别存入文件R″a+b、R″a、R″a-b；其中S1、S2分别为两条相同位置探测直线的对应缓冲区面积；
当Z3b＞Z顶时，令Z3b＝Z顶；当Z-3b＜Z底时，令Z-3b＝Z底；
得到Z值区间Z高∈(Zb，Z3b)、Z中∈(Z-b，Zb)和Z低∈(Z-3b，Z-b)，逐个打开各层点云数据Di，根据各层数据的Z坐标范围Zi∈(Z低i，Z高i)分别以R″a+b、R″a、R″a-b缓冲区作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
对所有导出的桥墩点云数据进行合并得到桥墩各侧平面点云D′j，j＝1,2,3,…，D′j的个数由桥墩面实际扫描个数而定；
步骤9：重复步骤4和步骤5中直线探测，在D′j中Z∈(Z底，Z底+a)处探测直线，并将已探测直线的端点(X1j,Y1j)和(X2j,Y2j)，代入垂直于XOY面的平面一般方程AX+BY+1＝0即可求出D′j中基准面参数A和B，即步骤10：计算D′j各点坐标到对应基准面距离，并根据距离的大小对应色谱图不同颜色来表示桥墩位姿，得到桥墩位姿图。
2.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤2中舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心20m外和5m内的点；所述步骤2中还包括将Z值统一加常数，使得所有点Z坐标值大于0。
3.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤4中按比例100:1压缩Pa得到压缩后图像Pa0。
4.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤4中最小有效层高a取值范围为0.01-1m。
5.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤5中直线探测时进步尺寸单位半径设置为1像素，单位角度设置为1°，累加平面的阈值参数设置为8像素；文件Ra记录所有探测直线按照方位顺序的编号和首末端点。
6.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤7中判断探测直线是否在同一位置判断条件为：分别计算R′a+b、R′a-b中每条探测直线的中点坐标与R′a中每条探测直线的中点坐标间距，当间距小于0.1m时认为两探测直线在相同位置。
7.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，步骤7中 Pa0、 按照比例1:100放大后记为P′a+b、Pa′、P′a-b；Ra+b，Ra，Ra-b中探测直线坐标同时按照比例1:100放大后记为R′a+b，R′a，R′a-b。
8.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，所述步骤8中导出桥墩表面点云数据具体是：当 或 时，分别以对应的R″a+b、R″a、R″a-b缓冲区作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
当某层点云Di有 且 且 时，计算Di中属于Z中和Z高的占比；
其中 Z 值 大于 Z中的 点 云占 比 Z 值 小于 Z高的 点 云占 比Di点云数据按照该占比分层，并分别以对应的R″a+b、R″a区域作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
当某层点云Di有 且 且 时，计算Di中属于Z中和Z低的占比；
其中 Z 值 大 于 Z低的 点 云占 比 Z 值 小 于 Z中的 点 云占 比Di点云数据按照该占比分层，并分别以对应的R″a、R″a-b区域作为限定条件导出桥墩表面点云数据。
9.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，其特征在于，当目标桥墩为圆柱形时，步骤5中使用Hough圆变换检测圆形或椭圆形截面。
一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法。
背景技术
[0002] 山区高速公路钢混桥墩高度高，跨度大，在桥墩完成浇筑后，必须验收桥墩垂直度等桥墩位姿数据，在验收合格后方能进行桥梁铺设。山区地形复杂多变，用传统方法测量超高桥墩位姿方法需要工程人员亲自上梁测量，危险系数较高且精度难以保证，高桥墩、大仰角垂直度测量较困难。
[0003] 三维激光扫描技术发展迅速，因其无接触、远距离、高效、和高精度获取被扫描物体表面坐标、颜色和反射率等多元海量点云数据的特性，已经代替了很多传统的单点坐标测取方式。通过该技术进行桥墩的位姿测量已有部分研究，分别通过建模、直线拟合、桥墩特征点连线等方法检测桥墩位姿。但超高桥墩数据量庞大（海量点云），对工作电脑硬件、软件要求较高，导致三维激光扫描方法无法在一般工程工作中进行普及。并且数据处理步骤繁琐，人工干预较多，工作量较大，自动化水平低，人为粗差不可避免。
[0004] 综上所述，急需一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
[0005] 本发明目的在于提供一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，具体技术方案如下：
[0006] 一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1：扫描桥墩获取调平后相应的点云原始坐标数据 ；
[0008] 步骤2：按照Z轴方向将 均分为n层，舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心过远和过近的点；各层的数据 按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内，并生成总索引文件用于记录点云文件层数n、各层点云文件的数据量 和各层数据的Z坐标范围；其中 ，为自然数；
[0009] 步骤3：删去 <106的层数，剩余总层数m，并更新总索引文件，同时记录总剩余点云中最高点Z坐标 与最低点Z坐标 ；
[0010] 步 骤4 ：设 为 最小 有效 层高 ，根据 步骤 3中 总 索 引文件 选 取所在的点云层数 ，取此Z值范围内的点云Da，并在XOY面投影，得到 处点云切片平面二值图像 ，
按比例压缩 得到压缩后图像 ；
[0011] 步骤5：对 进行多尺度Hough变换探测直线对象，生成文件 记录直线探测结果；
[0012] 步骤6：重复步骤4和步骤5，分别得到处图像 的直线探测结果文件 和
处图像 的直线探测结果文件 ，其中
b为桥墩设计高度的 ；
[0013] 步骤7： 、 、 按照比例放大后记为 、 、 ； ， ， 中探测直线坐标同时按照比例放大后记为 ， ， ；进一步在每条已探测直线周围设置半径为桥墩设计高度的1‰的缓冲区，缓冲区范围信息存入 ， ， 中；
[0014] 分别将 、 中每条探测直线的缓冲区面积 、 与 中相同位置探测直线的缓冲区面积 代入公式1）计算重叠度 和 ；
[0015] 重叠度计算公式： 1）；
[0016] 记录 ， ， 中 对应Z值范围的对应直线、直线编号与其缓冲区范围并按照对应Z值范围分别存入文件 、 、 ；其中 、 分别为两条相同位置探测直线的对应缓冲区面积；
[0017] 步骤8：设 ， ，， ；当 时 ，令 ；当
时，令 ；
[0018] 得到Z值区间 、 和 ，逐个打开各层点云数据 ，根据各层数据的Z坐标范围 分别以 、 、 缓冲区作为
限定条件导出桥墩表面点云数据；
[0019] 对所有导出的桥墩点云数据进行合并得到桥墩各侧平面点云 ， ，的个数由桥墩面实际扫描个数而定；
[0020] 步骤9：重复步骤4和步骤5中直线探测，在 中 处探测直线，并将已探测直线的端点 和 ，代入垂直于XOY面的平面一般方程
即可求出 中基准面参数A和B，即 ；
[0021] 步骤10：计算 各点坐标到对应基准面距离，并根据距离的大小对应色谱图不同颜色来表示桥墩位姿，得到桥墩位姿图。
[0022] 以上技术方案中优选的，步骤2中舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心15-25m外和2-10m内的点；所述步骤2中还包括将Z值统一加常数，使得所有点Z坐标值大于0。
[0023] 以上技术方案中优选的，步骤4中按比例100:1压缩 得到压缩后图像 。
[0024] 以上技术方案中优选的，步骤4中最小有效层高 取值范围为0.01-1m。
[0025] 以上技术方案中优选的，步骤5中直线探测时进步尺寸单位半径设置为1像素，单位角度设置为1°，累加平面的阈值参数设置为8像素；文件 记录所有探测直线按照方位顺序的编号和首末端点。
[0026] 以上技术方案中优选的，步骤7中判断探测直线是否在同一位置判断条件为：分别计算 、 中每条探测直线的中点坐标与 中每条探测直线的中点坐标间距，当间距小于0.1m时认为两探测直线在相同位置。
[0027] 以上技术方案中优选的，步骤7中 、 、 按照比例1:100放大后记为 、、 ； ， ， 中探测直线坐标同时按照比例1:100放大后记为 ， ， 。
[0028] 以上技术方案中优选的，所述步骤8中导出桥墩表面点云数据具体是：
[0029] 当 、 或 时，分别以对应的 、 、 缓冲区作为限定条件导出桥墩表面点云数据；
[0030] 当某层点云 有 时，计算 中属于 和的占比；其中Z值大于 的点云占比 ，Z值小于 的点云占比
， 点云数据按照该占比分层，并分别以对应的 、 区域作为
限定条件导出桥墩表面点云数据；
[0031] 当某层点云 有 时，计算 中属于 和的占比；其中Z值大于 的点云占比 ，Z值小于 的点云占比
， 点云数据按照该占比分层，并分别以对应的 、 区域作为
限定条件导出桥墩表面点云数据。
[0032] 以上技术方案中优选的，当目标桥墩为圆柱形时，步骤5中使用Hough圆变换检测圆形或椭圆形截面。
[0033] 应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
[0034] （1）本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法可以测量表面无明显角特征点的、非圆形桥墩的垂直度；当目标桥墩为圆柱形时，可以使用Hough圆变换检测圆形、椭圆形截面，并依步骤得到相应的圆形桥墩位姿图，改变参数同样可以对圆形桥墩垂直度进行检测，适应性较强。
[0035] （2）本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法，数据处理可以实现自动化，无需人为干预即可得到高墩垂直度数据和位姿图，根据桥墩位姿图可以直观地获取高墩面垂直信息。
[0036] （3）本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法，对海量点云数据分层处理，在处理桥墩高度大于60m的高墩点云数据时无需打开全部点云数据，对硬件要求低，易用性与普适性较强；本发明的测量方法同样适用于高度较低的桥墩，当桥墩高度为较低时，点云分层数与直线搜索所用点云切片影像可以适当减少。
[0037] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0038] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0039] 图1是本发明优选实施例中一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法流程图；
[0040] 图2（a）是本发明优选实施例中上层点云切片缓冲区编号图；
[0041] 图2（b）是本发明优选实施例中中层点云切片缓冲区编号图；
[0042] 图2（c）是本发明优选实施例中下层点云切片缓冲区编号图；
[0043] 图2（d）是本发明优选实施例中桥墩点云切片缓冲区重合影像图；
[0044] 图3是本发明优选实施例中桥墩位姿图。
具体实施方式
[0045] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0046] 实施例1：
[0047] 参见图1-3，本实施例提供一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法的具体案例，步骤如下：
[0048] 步骤1：待测桥墩设计高度65m，采用薄壁空心墩，桥墩水平截面为圆角矩形，矩形长约7.3m，宽约3.0m，三维激光扫描仪架设在距离待扫描高墩约10m处并精确调平，设置高精度扫描高墩，视场内包含桥墩两侧面，导出相应的点云原始坐标数据 ；
[0049] 步骤2：按照Z轴方向将 均分为10层，舍去X、Y坐标距扫描中心20m外和5m内的点，各层数据 按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内，并生成总索引文件用于记录每个点云文件信息：层数序列、各层点云文件的数据量 和各层数据的Z坐标范围，Z值由低到高层数依次增加，本实施例中 ；其中将Z值统一加常数1000；
[0050] 步骤3：删去 <106的层数第1层和第10层，剩余总层数8，并更新总索引文件，每层数据约200MB，同时记录总剩余点云中最高点Z坐标 与最低点Z坐标， ；
[0051] 步骤4：设 为最小有效层高，本实施例中取0.01m；根据步骤3中总索引文件选取所在的点云层数第5层 ，取此Z值范围内的点云 ，并在XOY面投影，得到 处40m*40m点云切片平面二值图像 ，图像分辨率
200000*200000，其中有点云处像素值为1，无点云处像素值为NaN，按比例100:1压缩 ，得到压缩后0.4m*0.4m图像 ，分辨率2000*2000；
[0052] 步骤5：对 进行多尺度Hough变换探测直线对象，直线探测时进步尺寸单位半径设置为1像素，单位角度设置为1°，累加平面的阈值参数设置为8像素；生成文件 记录直线探测结果，即分别记录所有探测直线按照方位顺序的编号和首末端点；
[0053] 步 骤 6 ：重 复 步 骤 4 和 步 骤 5 ，分 别 得 到 、处图像 和 的直线探测结果文件 、 ；
[0054] 步骤7： ， ， 中探测直线坐标同时按照比例1:100放大后记为 ， ，；进一步在每条已探测直线周围设置半径为0.065m的缓冲区，缓冲区范围信息存入， ， 中， 、 、 按照比例1:100放大后记为 、 、 ，并将 ， ，中编号信息标记在相应探测直线旁，参见图2(a)、图2(b)和图2(c)；
[0055] 分别将 、 中每条探测直线的缓冲区面积 、 与 中相同位置探测直线的缓冲区面积 代入公式1）计算重叠度 和 ，重叠度计算结果见表1与表2；判断探测直线是否在同一位置判断条件为：分别计算 、 中每条探测直线的中点坐标与 中每条探测直线的中点坐标间距，当间距小于0.1m时认为两探测直线在相同位置；
[0056] 重叠度计算公式： 1）；
[0057] 表1 统计
[0058] 编号 同处 编号 (m2) (m2) (m2)1a+b 1a 0.466 0.471 0.430 91.63%
2a+b 2a 0.901 0.919 0.789 86.73%
3a+b 3a 1.092 1.081 0.965 88.81%
4a+b 4a 2.677 2.677 2.488 92.93%
[0059] 表1中 、 分别为 和 对应缓冲区面积
[0060] 表2 统计
[0061] 编号 同处 编号 (m2) (m2) (m2)1a-b 无 0.553 0 0 0%
2a-b 无 0.414 0 0 0%
3a-b 无 0.695 0 0 0%
4a-b 无 0.352 0 0 0%
5a-b 无 1.575 0 0 0%
6a-b 3a 1.060 1.081 1.006 93.93%
7a-b 4a 2.659 2.677 2.621 98.23%
[0062] 表2中 、 分别为 和 对应缓冲区面积。
[0063] 由表1和表2，记录 ， ， 中 对应Z值范围的对应直线、直线编号与其缓冲区范围并按照对应Z值范围分别存入文件 、 、 ，第一个重叠区域为“ 中编号3a+b区域与 中编号3a区域与 中编号6a-b区域”，第二个重叠区域为“ 中编号4a+b区域与 中编号4a区域与 中编号7a-b区域”，分别为两侧墩面三维点所在水平面投影区域，参见图2(d)；
[0064] 步骤8：设 ， ，， ；
[0065] 有Z值区间 、 、，逐个打开各层点云文件 ，根据步骤2与步骤3中
总索引文件记录的Z坐标范围 ；
[0066] 得 到 ， ， ， ， ， ，， ， ， ，最后分别以
、 、 缓冲区作为限定条件，导出Z值区间分别在 、 、 内各层点云文件的墩面点云，最后合并为桥墩两侧面点云得到 与 ；
[0067] 步骤9：重复步骤4、步骤5中直线探测，在 中 处探测直线，并将已探测直线的端点 和 ，代入垂直于XOY面的平面一
般方程 求出 中基准面参数 ，
同理得到 中 处已探测直线的端点 和
，该基准面参数 ；
[0068] 步骤10：计算 与 中各点坐标到对应基准面距离，并根据距离D的大小不同对应色谱图不同颜色来表示桥墩位姿，得到桥墩位姿图，参见图3，并用于计算桥墩各个位置的垂直度和平整度。最终得到该高墩最高点垂直度最大值为0.028m，根据《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》(JTG F80/1-2017)未超过60m以上桥墩垂直度限制偏差0.03m，符合设计要求。
[0069] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
