【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及预应力混凝土箱梁上拱度检测，特别涉及一种基于地面三维激光扫描的混凝土箱梁上拱度测量方法。
技术介绍
1、近年来，随着城市规模的不断扩大，桥梁行业也在逐渐向智能化、便捷化的方向转型。因此，桥梁检测显得尤为重要，行业对智能化、全面化的桥梁检测需求越来越大。
2、如今，在桥梁工程领域，预应力混凝土箱梁构件被广泛应用。箱梁分为预制和现浇两种建造方法，而预制箱梁在桥梁的建设中被更加广泛的应用，桥梁的施工效率在此基础上得到了巨大的提升。预制箱梁构件本身许多优点，其设计和生产可以得到标准化处理，施工质量和耐久性具有保障，构件可以在工厂按照标准生产养护，相对于现场浇筑来说，影响因素更加可控，施工质量更高；建造周期短，可以缩短现场施工时间，减少对交通的阻碍，可大幅缩短工期；对现场环境影响小，由于构件的生产都是在工厂完成，现场只需要安装连接即可，不会对现场造成大量的污染，可以做到节能环保，符合绿色建筑理念。因此，在数字化和智能化时代的当下，更需要对箱梁预制的精度和构件连接的精度提出更高的要求。
3、由于在预应力混凝土箱梁构件浇筑过程中施加预应力，使得混凝土箱梁体内的预应力大于重力影响，使得混凝土箱梁出现上拱的状态。该上拱状态是正常现象，但为了保证混凝土箱梁的正常使用，需要对上拱度进行限制。在箱梁吊装之后，混凝土箱梁的上拱度会由于收缩徐变的影响进一步增加，所以不仅需要在事前进行设计计算，还要在预制完成后和吊装后对混凝土箱梁进行及时的检测，保证其上拱度不会超过规范限制范围，因此，一个切实高效的检测手段是必要的。p>
4、三维激光扫描技术是集光、机、电、和计算机技术于一体的高新技术[hu changan,kong linghui,lv fei.application of 3d laser scanning technology inengineering field.e3s web of conferences.2021.233:4014.]，可以无接触地对物体的空间外形、结构及色彩进行扫描，以获取物体表面的空间坐标。根据其扫描仪区别分为车载三维激光扫描仪和地面三维激光扫描仪，根据不同的扫描用途采用不同的仪器。其具有测量速度快、精度高、使用方便的优点[张会霞.三维激光扫描点云数据组织与可视化研究[d]：[博士学位论文].中国矿业大学(北京)2010.]。当采用高速激光测量的方法，可以生成三维的点云模型，从而快速建立物体的三维影像。目前，在施工质量检查、辅助实际工程量统计、预制构件的预拼装等方面体现出极高的应用价值。[1]冯耀等“通信铁塔垂直度三维激光扫描分析”([j].《测绘通报》,2022.)一文中，针对传统的全站仪测量方式存在可靠性差,可视化程度低等缺点，通过激光扫描仪扫描通信铁塔,获取其三维数据,并对其垂直度进行分析，通过分析结果,可以得出通信铁塔的垂直度情况,为通信铁塔的维护和管理提供重要的参考数据。但是，通信铁塔的垂直度指的是铁塔数值轴线和水平面垂直的程度，不同于桥梁上拱度的测量。
5、对于桥梁行业的工程质量检测，河海大学《基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究》(2011.6)一文中设计了使用地面三维激光扫描仪对桥梁进行变形监测的方案，给出了点云数据获取步骤；通过编程并结合realworkssurvey三维激光扫描数据处理软件实现了桥梁的点云去噪、特征点坐标转换以及点云配准。研究了利用曲面拟合方法分析桥梁沉降，实验表明该方法可以较好的反映出桥梁在顺桥向和横桥向的不均匀沉降以及表面相对形态变化；编程实现了icp配准算法，并通过将两期扫描数据进行配准提取变形量，实验表明该方法可以精确地提取桥梁表面微小变形。但是桥梁沉降是桥梁整体的高程问题，而且该文件中通过测量两个不同时间下桥梁的两个数据对比得到的桥梁整体的变形。对于箱梁上拱度检测而言，目前测量方法包括拉钢丝法、水准仪-激光测距仪法和全站仪法[陈剑锋.一种桥门式双梁起重机主梁上拱度检测方法研究[j].河南科技,2019(05):52-54.]等，但对于这些方法而言，拉钢丝法需要工作人员高空作业，危险系数高，水准仪-激光测距仪法和全站仪法存在以点代面的假设，只能得到单点位置下的上拱度测定，且精度不高。因此，需要一种更加高效的箱梁上拱度数字化三维方法进行检测，提高精度和效率。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术提供一种基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱度检测方法，在一次测量的基础上得到箱梁的上拱度，实现了预应力混凝土箱梁在检测过程中的智能化、数字化和三维可视化。可以实现箱梁预制过程中从工厂预制到箱梁现场吊装的全过程检测，利用点云数据实现信息的无损传递，提高了工作效率并节约工作人员的外业工作成本，减小对人工的依赖，提高了精准度。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、一种基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱度检测方法，是三维激光扫描仪扫描采集得到原始点云数据、对点云模型进行预处理、提取桥梁底缘曲面、提取箱梁点云模型两端最低点并拟合为基准平面、对箱梁纵向截面各节段进行高差检测的过程。具体来说，包括以下步骤：
4、步骤1.由地面三维激光扫描仪进行外业扫描采集得到原始点云数据，外业扫描可以在梁厂或者大桥下进行扫描，具体精度和参数根据桥梁长度以及扫描仪与待测目标的距离确定。三维激光扫描为获取箱梁各面的数据，需要设置多个测站将可视范围内的所有面扫描为点云数据；
5、步骤2.对点云模型进行预处理，其中预处理主要包括点云配准得到桥梁整体模型、对点云模型降噪清除多余噪点以及填补点云空洞等步骤。点云配准是利用坐标转换，将各站三维激光扫描获得的点云模型中不同坐标系下的点云坐标统一到一个坐标系中，从而获得一个完整的箱梁模型。降噪是利用人工交互删除大多与所需模型无关的多余点云数据。再利用低通滤波算法删除由于振动、温度、杂物等影响而产生的噪点数据。点云空洞填补是利用matlab编程检测缺失部分的形状与大小，并对其进行修补，从而得到因遮挡或扫描局限而没能直接由扫描获取的点云数据；
6、步骤3.对点云数据进行分割，通过对特征点识别定位，利用角点及高差存在变化的点云区域集作为特征点，将预处理后得到的预应力混凝土箱梁点云模型进行分割处理，从而得到顶板，侧面，底板等不同部分点云，并对其进行分类管理，对底板点云数据提取特征面，再对其进行平面拟合，将离散的底板点云数据拟合成上拱的底缘曲面，从而提取桥梁底缘曲面；
7、步骤4.对于步骤3中提取的桥梁底缘曲面，利用人工交互手段选定两拱脚所在的边，并将两边通过空间拟合到同一平面上，并将该平面作为基准平面，通过对整个底缘曲面进行旋转，保证面与面之间的相对位置不发生变化，使基准平面上点的z方向坐标均为0，从而消除箱梁倾斜或测量时本身由于沉降或地形带来的高程测量偏差；
8、步骤5.提取底缘曲面的箱梁中心纵向截面，结合步骤4中得到的基准面，将空间平面简化为一个存在上拱边和底边的近扇形平面，并利用原本点云模型自身带有三维本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱度检测方法，其特征在于：是三维激光扫描仪扫描采集得到原始点云数据、对点云模型进行预处理、提取桥梁底缘曲面、提取箱梁点云模型两端最低点并拟合为基准平面、对箱梁纵向截面各节段进行高差检测的过程。
2.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱度检测方法，其特征在于步骤如下：
3.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤1中的外业扫描是在梁厂浇筑箱梁构件成型阶段，或者在施工中或者施工后的大桥下进行扫描，具体精度和参数根据桥梁长度以及扫描仪与待测目标的距离确定；三维激光扫描为获取箱梁各面的数据，需要设置一个以上测站将可视范围内的所有面扫描为点云数据。
4.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤2中的点云配准是利用坐标转换，将各站三维激光扫描获得的点云模型中不同坐标系下的点云坐标统一到一个坐标系中，从而获得一个完整的箱梁模型。
5.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫
6.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤2中点云空洞填补是利用Matlab编程检测缺失部分的形状与大小，并对其进行修补，从而得到因遮挡或扫描局限而没能直接由扫描获取的点云数据。
7.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤3中的点云数据分割通过对特征点识别定位，利用角点及高差存在变化的点云区域集作为特征点，将预处理后得到的预应力混凝土箱梁点云模型进行分割处理，从而得到顶板，侧面，底板等不同部分点云，并对其进行分类管理，对底板点云数据提取特征面，再对其进行平面拟合，将离散的底板点云数据拟合成上拱的底缘曲面，从而提取桥梁底缘曲面。
8.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤4中通过人工交互选定两拱脚所在的边，并将两边通过空间拟合到同一平面上，并将该平面作为基准平面，通过对整个底缘曲面进行旋转，保证面与面之间的相对位置不发生变化，使基准平面上点的Z方向坐标均为0，从而消除箱梁倾斜或测量时本身由于沉降或地形带来的高程测量偏差。
9.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤5中提取点云模型的箱梁中心纵向截面，结合步骤4中得到的基准面，将空间平面简化为一个存在上拱边和底边的近扇形平面，并利用原本点云模型自身带有三维坐标的性质得到该上拱边上梁长方向区间范围内的Z方向坐标，通过对箱梁纵向截面到基准面的距离进行高差检测，经由上述步骤，该高差变是此时上拱曲边沿梁长方向区间范围内的Z方向坐标，即得到箱梁纵向截面上每个节段到底平面的距离，从而得到箱梁模型各处的上拱值。
...【技术特征摘要】
1.一种基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱度检测方法，其特征在于：是三维激光扫描仪扫描采集得到原始点云数据、对点云模型进行预处理、提取桥梁底缘曲面、提取箱梁点云模型两端最低点并拟合为基准平面、对箱梁纵向截面各节段进行高差检测的过程。
2.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱度检测方法，其特征在于步骤如下：
3.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤1中的外业扫描是在梁厂浇筑箱梁构件成型阶段，或者在施工中或者施工后的大桥下进行扫描，具体精度和参数根据桥梁长度以及扫描仪与待测目标的距离确定；三维激光扫描为获取箱梁各面的数据，需要设置一个以上测站将可视范围内的所有面扫描为点云数据。
4.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤2中的点云配准是利用坐标转换，将各站三维激光扫描获得的点云模型中不同坐标系下的点云坐标统一到一个坐标系中，从而获得一个完整的箱梁模型。
5.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤2中的降噪是利用人工交互删除大多与所需模型无关的多余点云数据；再利用低通滤波算法删除由于振动、温度、杂物影响而产生的噪点数据。
6.根据权利要求1所述的基于地面三维激光扫描的预应力混凝土箱梁上拱检测方法，其特征在于：所述步骤2中点云空洞填补是利用matlab编程检测缺失部分的形状与大小，并对...
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