一种基于三维扫描的复杂结构最优测点规划方法

摘要

本发明公开了一种基于三维扫描的复杂结构最优测点规划方法，属于施工监测技术领域。本发明对于各类复杂特征的大型建筑物，在有效测点范围内，基于扫描仪第n次扫描下的有效扫描区域，确定第n次的有效测点区域集合，再将已扫描区域与未扫描区域对比整合，进行第x次扫描，借助计算机编程语言，对已扫描区域下对应的有效测点集合进行反复迭代，从而确定最优测点路径，最终对采集的点云数据进行处理，提取三维坐标、拟合。本发明实现了三维激光扫描仪的高精度、高效率、扫描时间短以及全自动化的技术革新。

权利要求

1.一种基于三维扫描的复杂结构最优测点规划方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、基于被测建筑物，得到待扫描测点区域的集合，待扫描测点区域由三维扫描装置最大测距及建筑物水平投影区域所定，分为已扫描区域集合和未扫描区域集合；

步骤二、获取被测建筑物水平投影区域的集合；

步骤三、依据三维扫描装置最大测距，以被测建筑物最高点水平投影点为圆心，扫描仪最大测距与被测建筑物最高点标高平方差为半径的平方作圆，求得待扫描区域测点的区域集合；

步骤四、获取三维扫描仪第n次扫描位置，n为1到N的正整数；

步骤五、基于三维扫描仪第n次扫描位置，统计三维扫描有效测点坐标集合；

步骤六、利用计算机语言编程的算法，对所有有效测点坐标集合进行迭代，得到第n次最优坐标集合，并记录第n次最优的坐标集合；

步骤七、基于第n次的已扫描区域集合以及被测建筑未扫描区域，推算第x次测点区域集合，x为1到N的正整数，x不等于n；

步骤八、基于第n次最优测点坐标集合和第x次最优测点坐标集合所扫描区域，若已扫描区域和待扫描区域重合度未达指定要求，则重复上述步骤七，直至重合度达标；

步骤九、判断已扫描区域集合和待扫描区域集合的整体重合度，利用计算器语言进行整合，反复迭代计算，得到在整体重合度最高的情况下的i个最优坐标集合；

步骤十、当i为最小值时，将各个三维扫描仪对应的最优测点坐标集合进行整合，最终得到三维扫描最优路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维扫描的复杂结构最优测点规划方法，其特征在于：所述步骤三中，若所作区域集合包含于被测建筑物水平投影区域集合，则表明仪器测距不满足要求，应更换扫描仪。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维扫描的复杂结构最优测点规划方法，其特征在于：所述步骤六中，所述算法具体依据for(初始条件；结束条件；递增规则){具体内容}命令，对所有有效测点坐标集合进行迭代。

说明书

一种基于三维扫描的复杂结构最优测点规划方法

技术领域

[0001] 本发明涉及施工技术领域，具体而言，涉及一种基于三维激光扫描技术的路径最优算法。

背景技术

[0002] 经济社会的快速发展，各类大型复杂的桥梁结构形式层出不穷，对于异形斜拉桥的施工变形监控，经常会采用三维激光扫描法。传统的三维扫描路径规划工作通常由操作
者依据个人经验完成，通常选中一预估位置，然后进行实际扫描，根据扫描结果来判断当前
位置是否满足要求，如不满足则需要继续调整位置重新扫描，如满足则记录当前测量位置，
反复迭代，直至得到全部数据为止。此种方法测量次数多、检查不便、数据量庞大，耗时久，
不利于施工工期的优化，无法确保工作质量。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种检测灵活、测点快速定位、检查安全性高的基于三维扫描的最优测点规划方法。

[0004] 本发明采用的技术方案为：一种基于三维扫描的复杂结构最优测点规划方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤一、基于被测建筑物，得到待扫描测点区域的集合，待扫描测点区域由三维扫描装置最大测距及建筑物投影区域所定，分为已扫描区域集合和未扫描区域集合；

[0006] 步骤二、获取被测建筑物水平投影区域的集合；

[0007] 步骤三、依据三维扫描装置最大测距，以被测建筑物最高点水平投影点为圆心，扫描仪最大测距与被测建筑物最高点标高平方差为半径的平方作圆，求得待扫描区域测点的
区域集合(若上述所作圆区域集合包含于被测建筑物水平投影区域集合，则表明仪器测距
不满足要求，应更换扫描仪)；

[0008] 步骤四、获取三维扫描仪第n次扫描位置，n为1到N的正整数；

[0009] 步骤五、基于三维扫描仪第n次扫描位置，统计三维扫描有效测点坐标集合；

[0010] 步骤六、利用计算机语言编程的算法，具体依据for(初始条件；结束条件；递增规则){具体内容}命令，例如for(int i有效＝0；i有效≤N有效；i有效++){i有效满足该集合内的测点对
应的已扫描区域与待测建筑物重合度最大}，对所有有效测点坐标集合进行迭代，得到第n
次最优坐标集合，并记录第n次最优的坐标集合；

[0011] 步骤七、基于第n次的已扫描区域集合以及被测建筑未扫描区域，推算第x次测点区域集合，x为1到N的正整数(x不等于n)；

[0012] 步骤八、基于第n次最优测点坐标集合和第x次最优测点坐标集合所扫描区域，若已扫描区域和待扫描区域重合度未达指定要求，则重复上述步骤七，直至重合度达标；

[0013] 步骤九、判断已扫描区域集合和待扫描区域集合的整体重合度，利用计算器语言进行整合，反复迭代计算，得到在整体重合度最高的情况下的i个最优坐标集合；

[0014] 步骤十、当i为最小值时，将各个三维扫描仪对应的最优测点坐标集合进行整合，最终得到三维扫描最优路径。

[0015] 本发明在实施过程中，可通过计算机编程程序，快速将待扫描建筑物的最优测点分析出来，无需多次调整、校准扫描仪的位置，即可准确得到待扫描建筑物的监测数据，解
决了对于特大型复杂结构建筑物监测难题，且监测灵活性明显改善、耗时大大降低、测量明
显方便很多，实现了施工现场高效率的监测需要。

[0016] 本发明的有益效果：

[0017] 1、测量速度快、精度高，有助于满足施工现场质量控制；

[0018] 2、与原来三维扫描监测方法相比，监测效率大大提高，减少了操作人员繁琐步骤，优化了扫描路径；

[0019] 3、实现了三维扫描高精度、高效率的自动化扫描方案，优化布局，可靠性大大提高。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施结构示意图；

[0021] 图2为本发明的实施例三维仿真示意图；

[0022] 图3为本发明实施例水平投影方向三维仿真示意图；

[0023] 图4为本发明扫描仪测点布置区域计算图。

具体实施方式

[0024] 以下结合附图和本实施例对本发明作进一步详细说明。

[0025] 如图1‑4所示，本实施例是一异形钢混斜拉桥桥塔拼装的变形监测，异形桥塔由两个对称于主梁中线的心形结构组成。其中，监测坐标系原点为水平面和桥塔两相邻侧边线
交界处，X轴为纵桥向水平线，Y轴为横桥向水平线，扫描仪布置在该平面内一点。

[0026] 基于待扫描桥塔，得到待扫描区域集合，针对待扫描区域集合，执行以下步骤：

[0027] 第一步、获取被测异形桥塔水平投影区域的集合S1；

[0028] 1)设桥塔在水平面投影的四个基座的坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)，桥塔垂直于水平面最高点坐标为(xi,yi)，(xi’,yi’)。

[0029] 2)桥塔垂直投影区域S1即为四个基座坐标合围区域。

[0030] 第二步、依据三维扫描装置最大测距，求得待扫描区域测点的区域集合S2；

[0031] 1)依据扫描仪最大测距100米，计算S2，因桥塔为关于主梁中线对称结构，先取沿Y轴上半部分讨论：

[0032] 设桥塔最高点的空间坐标为(xi，yi，zi)，(xi’，yi’，zi’)。因扫描仪布置在水平面内，即测点z＝0，先取(xi，yi，zi)为研究对象。

[0033] (x‑xi)2+(y‑yi)2+(0‑zi)2≤1002

[0034] (x‑xi)2+(y‑yi)2≤10000‑zi2

[0035] 2)令最高点水平投影点(xi,yi)为圆心，半径为 作圆，求得测点坐标区域集合范围S2。

[0036] 第三步、依据被测桥塔求出的集合S1和S2，测算出两集合相交区间集合Si，Si即为三维扫描仪规划测点范围集合；

[0037] 1)计算S1与S2相交区域集合，继续先以点(xi，yi，zi)为研究对象。求得点(x3,y3)，(x4,y4)所在直线为：

[0038]

[0039] 可得S1和S2相交区域集合第一部分，满足如下条件：

[0040]

[0041] (y‑yi)2≤10000‑zi2‑(x‑xi)2

[0042] 再将以(xi，yi，zi)，(xi’，yi’，zi’)两点为圆心，作半径为 圆。并求水平投影中沿x轴正向x为最大值的两个点，设分别为(xa,ya)，(xa,yb)，则连接连接两点的直
线为：

[0043] x>xa

[0044] 此时可得S1和S2相交区域集合第二部分，满足如下条件：

[0045] (x‑xi)2≤10000‑zi2‑(y‑yi)2

[0046] (x‑xi′)2≤10000‑zi′2‑(y‑yi′)2

[0047]

[0048]

[0049] x>xa

[0050] 2)同理可求得对称部分另一侧相交区域集合，最终得到整体相交区域集合Si，从而确定扫描仪布置范围。

[0051] 第四步、在Si范围内获取三维扫描仪第n次扫描区域，n为1到N的正整数；

[0052] 第五步、基于三维扫描仪第n次扫描位置，统计此时有效扫描的坐标集合Sn；

[0053] 第六步、利用基于Python语言编程的算法，对所有有效坐标集合进行迭代，得到第n次扫描最优测点坐标集合Sn0，并记录第n次最优测点坐标集合；

[0054] 第七步、基于上述所有最优测点坐标集合以及被测建筑剩余未扫描区域，得到第x次测点区域集合Sx，x为1到N的正整数(x不等于n)；

[0055] 第八步、结合第n次最优测点坐标集合和第x次最优测点坐标集合所扫描区域，若剩余未扫描区域仍不为0，即已扫描区域和待扫描区域重合度未达到指定要求时，则重复上
述步骤七，直至重合度达标；

[0056] 第九步、再次综合判断已扫描区域集合和待扫描区域集合的整体重合度，进行数据整合，再反复迭代计算，得到在整体重合度最高的情况下的o个最优测点坐标集合；

[0057] 第十步、当o为最小值时，将各个三维扫描仪对应的最优测点坐标集合再次进行整合，最终得到三维扫描最优路径对应的测点位置。

[0058] 本发明计算待测桥塔垂直投影区域与待扫描区域测点区域相交区域集合，是依据异形桥塔扫描角度与扫描仪最大测距综合考虑所得。

[0059] 本发明通过计算机编程语言，优化组织结构，将各个待扫描区域对应的测点所扫描的包含尺寸、特征和空间坐标等参数的模型进行整合对比，利用优化计算模型，得到最优
测点路径。

[0060] 为使三维扫描仪在一次扫描时尽可能获得更多的有效扫描区域，从而减少扫描次数，不单需优化扫描测点路径布置，还要结合计算机编程对第n次扫描区域集合进行迭代演
算，从而进一步优化扫描仪扫描路径。最优测点坐标集合为在一次扫描中可以获得最多有
效扫描区域所对应的测点区域的集合。

[0061] 对于待扫描区域和已扫描区域的重合度要求，应以具体实际而定：示例性地，对于普通建筑物或较平面类型的构件，重合度须达100％，对于大型复杂建筑物获特征及其复杂
的构件，重合度应允有所调整，视具体情况而定，但对局部精细化扫描构件仍须达100％。

[0062] 扫描仪按计算得到的最优路径布置的测点进行自动化扫描，可大幅降低操作人员技术要求并提高监测现场工作效率，实现高度智能化、自动化、高效化为一体的新型三维扫
描技术。

[0063] 以上结合附图以及具体实施方案对本发明专利的实施方式做出详细说明，但本发明专利不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明专利的原理
和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明专利
的保护范围内。