基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法，本发明专利技术采用TLS单期点云中的模糊点在裂缝或潜在损伤区域的分布特征，结合正态距离法进行初始判断和邻域增长法进行精细筛选，减少模糊点的影响，引入点云表面法线方向的归一化解决桥梁曲率突变区域的法线方向发散问题，提高高斯曲率模型的完整性，从而达到准确检测桥梁潜在损伤区的目的。目的。目的。

【技术实现步骤摘要】
基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法


[0001]本专利技术涉及建筑探测的
，特别涉及一种基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法。

技术介绍

[0002]目前，桥梁的潜在损伤易导致桥梁运行过程中出现严重的损坏情况，准确获取潜在损伤区域是桥梁损伤精准探测的必要前提，地面三维激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）通常需要通过对比多周期点云数据进行桥梁潜在损伤区域探测，存在测量周期长，效率低。单期TLS可在一次测量下直接获得的目标桥梁的大量点云数据，实现桥梁潜在破坏区域探测。梯度和高斯曲率是利用单期TLS点云构建目标三维全表面模型进行目标损伤定量判断的常用参数。梯度可表达单期TLS桥梁下表面点云模型的局部特征，然而，梯度计算的准确性依赖于桥梁下表面单期TLS点云中初始点的选取,桥梁下表面的高斯曲率是带状的均匀分布，因此，当目标桥梁存在潜在损伤区域时，相应的曲率值会发生变化，基于高斯曲率模型的曲率变化值可有效地探测被监测桥梁上存在的潜在损伤区域。
[0003]高斯曲率的计算方法主要有交叉斑块法、TW法、表面三角法、正交行走法、坐标转换法等。交叉补片法计算高斯曲率时因对测量误差和噪声很敏感，精度不高；应用TW法和表面三角法计算高斯曲率，当桥梁的主要方向无法确定时，难以达到法向量模糊点去除的参数要求，所获高斯曲率模型波动较大；正交行走法通过曲面基本方程，利用高斯
‑
边界公式计算曲率值，然而，然而该方法易导致高斯边界公式被重复分配给曲面的基本方程，导致桥梁高斯曲率计算时过于繁琐且不准确。坐标转换法主要通过拟合局部抛物面计算桥梁下表面的高斯曲率变化，精度较高，然而，单期TLS点云模型在小裂缝或潜在损伤区域会存在模糊点，导致点云模型法向量的主方向发散，应用坐标转换法计算时，易降低桥梁下表面高斯曲率模型的完整性，影响桥梁潜在损伤区域探测精度。因此需要一种基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法。

技术实现思路

[0004]针对现有的技术缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术包括以下步骤：A通过单期TLS获得桥梁下表面点云;B对所述桥梁下表面点云中的点云模糊点消除;C对消除后的所述桥梁下表面点云拟合点云曲面;D对所述点云曲面通过归一化法向量约束坐标转换法计算点云高斯曲率;E通过评价标准与所述点云高斯曲率计算相匹配输出筛选结果，确定桥梁的潜在损伤区域，当高斯曲率变化范围为，判定为符合安全运营状态，高斯曲率变
化范围为，判定为潜在损伤区域,高斯曲率变化范围为判定为已发生损伤，需进行维护。
[0006]进一步地，对所述桥梁下表面点云进行点云模糊点消除的方法包括:1)通过法向距离法对所述桥梁下表面点云初筛选出点云模糊点；2)对所述点云模糊点通过邻域增长法进行精筛选后消除。
[0007]进一步地，对所述点云曲面通过归一化法向量约束坐标转换法计算点云高斯曲率的方法包括：a最小二乘法生成已消除模糊点点云的归一化法向量;1）根据桥梁下表面区域离散点群的平均值，利用反距离权重法构建桥梁下表面的点云DEM模型，观察桥梁下表面的形态。
[0008]2）所述点云DEM模型表面有连续的二阶导数，根据传统坐标变换方法的定义，第一基本形式描述了曲面的度量特性。它分别表示点云的长度和拟合桥面下区域的面积，而第二个基本形式描述了曲面在某一点上的弯曲程度，它表示切线平面和点的表面之间的距离差，曲面的第一基本形式和第二基本形式可以分别表示如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）3）使用传统坐标变换方法计算的点云的高斯曲率将导致法向量的发散，假设曲面的向量函数为。分别取和的部分导数为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）单位法向量可以显示如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）b基于归一化法向量约束坐标转换法构建高斯曲率模型;1）基于归一化的单位法向量，对第二基本量进行约束，以实现拟合曲面法向量的方向一致，提高高斯曲率模型的完整性，法向量归一化约束下的第二基本量形式可以如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）其中，，
ꢀꢀ
，，，，，，此外，基本形式和对于高斯曲率的理由是根据罗德里格斯定理：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）其中是点云拟合曲面后任意一点的曲率，那么二阶行列式可以计算为
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）最佳的高斯曲率值是给定点的曲率和的乘积。
[0009]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（12）其中，表示曲面中方向的长度平方，表示曲面中和方向上的长度乘积，表示曲面中方向的长度平方，表示曲面的法向量在方向上的变化率，表示曲面的法向量在和方向上变化率乘积，表示曲面的法向量在方向上的变化率。
[0010]进一步地，所述法向距离法可以根据模糊点的不同距离分布对点云距离进行初步判断，然后去除不重叠的点云面的模糊点，计算过程可表示为：点云拟合曲面模型可以表示为，点与面之间的距离为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，是常数，代表点云的三维坐标，所述 时，模糊点判断保留；当，模糊点判断保留。
[0011]相比现有技术，本专利技术的有益效果为：本专利技术利用单期TLS点云数据完成对桥梁潜在损伤区域的检测，提高了检测效率,可以消除模糊点，抑制了法向量的主方向发散现象，提高高斯曲率模型的完整性，与传统的坐标变换方法相比，该方法使点云模型的完整性提高了25%。
[0012]本专利技术采用TLS单期点云中的模糊点在裂缝或潜在损伤区域的分布特征，结合正态距离法进行初始判断和邻域增长法进行精细筛选，减少模糊点的影响，引入点云表面法线方向的归一化解决桥梁曲率突变区域的法线方向发散问题，提高高斯曲率模型的完整
性，从而达到准确检测桥梁潜在损伤区的目的。
附图说明
[0013]图1为本专利技术提出的一种基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法的流程图；图2为本专利技术提出的一种基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法 主方向发散示意图 ；图3为本专利技术提出的一种基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法中邻域增长法精筛选模糊点示意图；图4.为本专利技术提出的一种基于单期本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法，其特征在于，包括以下步骤：A通过单期TLS获得桥梁下表面点云;B对所述桥梁下表面点云中的点云模糊点消除;C对消除后的所述桥梁下表面点云拟合点云曲面;D对所述点云曲面通过归一化法向量约束坐标转换法计算点云高斯曲率;E通过评价标准与所述点云高斯曲率计算相匹配输出筛选结果，确定桥梁的潜在损伤区域，当高斯曲率变化范围为，判定为符合安全运营状态，高斯曲率变化范围为，判定为潜在损伤区域,高斯曲率变化范围为判定为已发生损伤，需进行维护。2.根据权利要求1所述的基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法，其特征在于，对所述桥梁下表面点云进行点云模糊点消除的方法包括:1)通过法向距离法对所述桥梁下表面点云初筛选出点云模糊点；2)对所述点云模糊点通过邻域增长法进行精筛选后消除。3.根据权利要求1所述的基于单期地面三维激光扫描的桥梁潜在损伤区域探测方法，其特征在于，对所述点云曲面通过归一化法向量约束坐标转换法计算点云高斯曲率的方法包括：a最小二乘法生成已消除模糊点点云的归一化法向量;1）根据桥梁下表面区域离散点群的平均值，利用反距离权重法构建桥梁下表面的点云DEM模型，观察桥梁下表面的形态；2）所述点云DEM模型表面有连续的导数，所述点云DEM模型的曲面的第一基本形式和第二基本形式可以分别表示如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）3）使用传统坐标变换方法计算的点云的高斯曲率将导致法向量的发散，假设曲面的向量函数为，分别取和的部分导数为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘祥磊，蔡迪，王闰杰，尼露帕尔，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：