一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法技术

发明专利技术提供一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法。该方法包括输入预制构件点云数据、噪声过滤、点云面分割、平面数据提取、创建相邻面关系矩阵、创建拟合系数矩阵、计算角点和逆向建模等步骤。该方法有效地减轻了在传统逆向建模工作中的大量人为干预，为预制构件的非接触式检测与整体尺寸逆向建模提供了技术支持。

A Reverse Modeling Method of Prefabricated Component's Whole Size Based on Point Cloud Data

【技术实现步骤摘要】
一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法
本专利技术涉及信息技术与建筑安全管理领域，特别涉及一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法。
技术介绍
三维激光扫描技术是一种可以用于测量及实景复原的勘测技术。利用三维激光扫描技术，可以实现对预制构件的轮廓扫描，形成预制构件的外形点云数据。点云数据是由大量的三维空间数据点构成的数据集，包括数据点的三维坐标以及被测物体表面反射率。高密度的点云可以用来实现对预制构件的非接触式检测，通过处理点云数据完成对被测量构件的尺寸评估以及逆向建模。目前，技术人员在对预制构件点云数据进行BIM逆向建模时，可以根据建筑图纸进行尺寸复原的翻模，可以根据实际手工测量构件结果进行翻模，也可以导入被测构件的点云数据，按照点云数据的大致轮廓进行人工建模。然而，以上方法均需要通过大量的人工操作从而获得BIM模型。根据点云数据获得被扫描物体的BIM模型可以用于信息存储、传递与交流。因此，为了避免在大规模数据情况下所有的预制构件点云数据必须依次手动建模的问题，亟需开发一种预制构件整体尺寸逆向建模方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法，以解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法，包括以下步骤：1)输入待处理预制构件点云数据。2)采用最小L0算法对预制构件点云数据进行噪声过滤。3)采用区域生长算法对过滤后的点云数据进行点云面分割，获得点云分割面列表。各点云分割面数据依次进行编号并储存。4)采用RANSAC算法对各点云分割面进行平面数据提取。5)判断预制构件点云数据中相邻面的关系，创建相邻面关系矩阵并进行记录。6)对步骤3)中获得的各点云分割面分别进行平面数据拟合。选取误差平方和最小的拟合参数结果，并创建拟合系数矩阵进行记录。输出对应的最小误差平方和。7)根据步骤5)获得的相邻面关系矩阵与步骤6)获得的拟合系数矩阵，求解三面相交顶点，并储存至顶点列表。8)根据步骤6)中的误差平方和，修正拟合误差平方和较大平面上的角点。9)根据步骤5)获得的相邻面关系矩阵，利用直线拟合的方法求解两面相交顶点，并添加至顶点列表中。10)采用方向搜索方法，求解单面拐点，并添加至顶点列表中。11)根据顶点列表，利用BIM软件完成预制构件整体尺寸逆向建模。进一步，步骤3)中，平滑阈值为5°，曲率阈值为1。进一步，步骤5)中，相邻面检测距离R设置为2cm。若两个面最近点的距离小于R，则判断为相邻面。相邻面关系矩阵中，相邻面表示为1，非相邻面表示为0。进一步，步骤6)中，采用最小二乘法进行平面数据拟合。获得的所有参数按照平面编号顺序依次存储至拟合系数矩阵。进一步，步骤4)中，进行拟合时，随机取样80％的平面点云数据，并重复拟合20次。进一步，步骤8)中，当其中一面的拟合误差平方和超过设定阈值时，选用另外两面的相交直线作为辅助直线。搜索需要修正的顶点在预制构件完整数据中的最近数据点。将搜索获取的数据点向辅助直线上投影得到修正后顶点。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的：A.通过对预制构件的点云数据进行预制构件角点的提取，构成预制构件的顶点集和，可以方便的对预制构件点云数据进行整体尺寸估计；B.结合BIM软件以及预制构件的先验知识，可完成预制构件的自动化逆向建模；C.使得预制构件整体逆向建模变得自动化，极大的减轻了大规模预制构件的逆向建模过程。附图说明图1为方法流程图；图2为原始预制构件点云数据与采用最小L0算法过滤后的点云数据示意图；图3为预制构件点云面分割效果图；图4为RANSAC算法进行面分割数据的平面数据提取示意图；图5为预制构件BIM模型示意图；图6为三面相交角点计算修正结果示意图；图7为三面相交角点的修正原理示意图；图8为预制构件点云数据两面相交角点示意图；图9为单面拐点示意图；图10为预制构件整体尺寸逆向建模结果示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。实施例1：针对现有预制构件点云数据在BIM软件中逆向建模技术存在的自动化程度较低，以及对预制构件点云数据进行质量检测过程中，在数量较大时不具备可操作性等问题，本实施例提供一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法。参见图1，逆向建模方法包括以下步骤：1)输入待处理预制构件点云数据。参见图2，本实例中采用的预制构件是预制混凝土楼梯。原始预制构件点云数据如2a所示。2)采用最小L0算法对预制构件点云数据进行噪声过滤。采用最小L0算法对预制混凝土楼梯进行过滤后的预制构件点云数据如2b所示。参见2b，离散数据点均被过滤，且该算法对主体点云数据的边缘特征保护良好。其中，最小L0算法具体包括以下步骤：a)利用PCA(PrincipalComponentAnalysis，主成分分析)算法计算各点的法向量，并利用L0范数对法向量进行优化。b)利用L0范数，根据优化后法向量将各数据点在其法向量方向进行坐标优化。c)根据所有求得的新坐标点完成对边缘的优化修复。3)采用区域生长算法(Regionseedsgrowing)对过滤后的点云数据进行点云面分割，获得点云分割面列表。被分割的表面数据中，不包括边缘数据部分。各点云分割面数据依次进行编号并储存。预制构件点云面分割效果如图3所示。其中，区域生长算法具体包括以下步骤：a)计算每个点的法向量与曲率。b)选择最小曲率的点(即曲率小于曲率阈值的点)存入种子点集vector。在本实施例中曲率阈值设置为1。c)依次弹出种子点(seedpoint)进行区域生长。种子点作为生长的起点，对比种子点与种子点周围邻域的点，如果领域点满足生长准则，则将领域点与种子点合并起来继续向外生长，直至没有满足条件的点被包括进来。这样一个点云分割面的生长就完成了。其中，生长准则为邻域点与种子点法向量夹角小于平滑阈值。在本实施例中，根据点云密度，在采用区域增长法进行点云面分割时，平滑阈值选择为5°。d)重复迭代直至所有点都被划分并输出所有分割面。4)采用RANSAC算法(Randomsampleconsensus，随机抽样一致算法)对各点云分割面进行平面数据提取。RANSAC算法可以进一步去除平面上下的噪点。RANSAC算法可以作为一种过滤手段，为下一步中的平面数据拟合提供更高的拟合精度。所述RANSAC算法的原理描述为：首先，随机抽取一些点，进行平面方程的系数拟合；其次，满足设置阈值的数据点，作为内点加入内点集；然后，重复上述步骤多次，输出内点集中内点最多的那次平面点集。参见图4，以实施例中的任意一块分割面数据为例，浅色点为RANSAC算法所提取的平面点云数据，而深色点为平面外数据。5)判断预制构件点云数据中相邻面的关系，创建相邻面关系矩阵并进行记录。在本实施例中，相邻面检测距离R设置为2cm。依次循环计算每个面的所有点到其他面中最近点的距离，若距离小于R则判断为相邻面。相邻面关系矩阵中行与列的指标即为每个面的各自编号，相邻面表示为1，非相邻面为0。若所有分割面的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法，其特征在于，包括以下步骤：1)输入待处理预制构件点云数据；2)采用最小L0算法对预制构件点云数据进行噪声过滤；3)采用区域生长算法对过滤后的点云数据进行点云面分割，获得点云分割面列表；各点云分割面数据依次进行编号并储存；4)采用RANSAC算法对各点云分割面进行平面数据提取；5)判断预制构件点云数据中相邻面的关系，创建相邻面关系矩阵并进行记录；6)对步骤3)中获得的各点云分割面分别进行平面数据拟合；选取误差平方和最小的拟合参数结果，并创建拟合系数矩阵进行记录；输出对应的最小误差平方和；7)根据步骤5)获得的相邻面关系矩阵与步骤6)获得的拟合系数矩阵，求解三面相交顶点，并储存至顶点列表；8)根据步骤6)中的误差平方和，修正拟合误差平方和较大平面上的角点；9)根据步骤5)获得的相邻面关系矩阵，利用直线拟合的方法求解两面相交顶点，并添加至顶点列表中；10)采用方向搜索方法，求解单面拐点，并添加至顶点列表中；11)根据顶点列表，利用BIM软件完成预制构件整体尺寸逆向建模。

【技术特征摘要】
1.一种基于点云数据的预制构件整体尺寸逆向建模方法，其特征在于，包括以下步骤：1)输入待处理预制构件点云数据；2)采用最小L0算法对预制构件点云数据进行噪声过滤；3)采用区域生长算法对过滤后的点云数据进行点云面分割，获得点云分割面列表；各点云分割面数据依次进行编号并储存；4)采用RANSAC算法对各点云分割面进行平面数据提取；5)判断预制构件点云数据中相邻面的关系，创建相邻面关系矩阵并进行记录；6)对步骤3)中获得的各点云分割面分别进行平面数据拟合；选取误差平方和最小的拟合参数结果，并创建拟合系数矩阵进行记录；输出对应的最小误差平方和；7)根据步骤5)获得的相邻面关系矩阵与步骤6)获得的拟合系数矩阵，求解三面相交顶点，并储存至顶点列表；8)根据步骤6)中的误差平方和，修正拟合误差平方和较大平面上的角点；9)根据步骤5)获得的相邻面关系矩阵，利用直线拟合的方法求解两面相交顶点，并添加至顶点列表中；10)采用方向搜索方法，求解单面拐点，并添加至顶点列表中；11)根据顶点列表，利用BIM软件完成预制构件整体尺寸逆向建模。2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘界鹏，李东声，冯亮，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50