[发明专利]一种基于点云曲面特征约束的建筑物局部变形分析方法

说明书

本发明公开了一种基于建筑物点云曲面特征约束的局部变形分析方法，首先，对获取的建筑物密集点云数据进行预处理和数据分割，得到建筑物各表面的点云数据；其次，对分割后点云数据进行曲面特征识别，判断建筑物表面的曲面类型，并根据曲面类型，对点云数据进行曲面拟合计算，得到建筑物各表面的曲面特征参数；然后，根据建筑物曲面特征参数，对建筑物曲面的尺寸约束和结构约束进行计算；最后，根据建筑物曲面特征约束关系，判断建筑物曲面之间的空间位置关系，并分析曲面之间的局部变。本发明能对建筑物不同部位的局部变形情况进行判断，从局部的多个角度去分析和评价建筑物的安全性，提高了建筑物变形分析的精度和可靠性。

技术领域

本发明具体涉及一种基于建筑物点云曲面特征约束的局部变形分析方法。

背景技术

近年来，为了能够满足城市居民的住房需求，不断涌现出结构复杂的大型建筑物，这也为建筑物的安全埋下了隐患。因此，需要采用快速、高精度的建筑物变形监测手段，对建筑物进行测量，及时获取最新的变形信息。传统三维测量技术主要是高精度地测量目标的某一个或多个离散定位点的三维坐标数据及该点三维特性，该技术仅能测量定位点数据，并且测量不同定位点间的简单几何尺寸。三维激光扫描数据处理技术可以重建目标模型及分析结构特性，并且进行全面的后处理及提取目标结构的复杂几何内容，可以分析目标模型的形变、位移及各部分结构之间的变化关系等。因此，将三维激光扫描技术应用到建筑物变形测量，研究基于三维点云模型的建筑物形体特征的提取原理和方法，具有重要意义。

利用三维激光扫描技术进行建筑物变形监测，首先需要运用合理的方法确定出能够正确反映建筑物变化情况的形体特征。建筑物可以由若干部位或结构组成，而点、线、面等特征又组成了建筑物中的部位与结构。建筑物中的点、线、面特征不仅具有几何约束特征，比如形状、位置、大小等，其内部之间还具有复杂的拓扑关系，而这才是空间实体依存的基础。因此，研究建筑的形体特征就不仅要对建筑物点、线、面对象的位置、形状、长度、大小、面积、体积等约束特征进行研究，还要对建筑物内部以及不同建筑物之间的几何关系特征进行研究，包括它们之间的距离关系、平行关系、垂直关系等。

因此，对于研究建筑物的形体特征及变形分析来说，确定出建筑物的点、线、面特征仅仅只是开始，因为建筑物要符合设计要求，保证建筑物能够安全地运行，其各组成部分之间以及同周围事物之间要满足一定的几何关系，这种几何关系对建筑物各组成部分以及建筑物之间起到约束和校核的作用，而点、线、面等形体特征只是这些几何关系的基础。由于建筑物主要由平面、柱面等二次曲面构成，本发明将三维激光扫描技术应用于建筑物变形监测，提出了基于建筑物点云数据曲面约束关系的局部变形分析方法。

目前，三维激光扫描测量技术进行建筑物的变形监测，已经出现了多种基于点云数据的变形量分析计算方法，主要包括：点对点的直接比较分析法，点云到平面的变形分析法，平面之间的比较分析法，点云数据的特征量比较分析法。对于点对点的变形分析方法，不确定是否能在两个不同的时期采样到完全相同的点，并且从不同角度扫描测量，物体上的点密度可能会有所不同，因此直接的点对点比较是不合适的。基于点到平面或平面之间变形量计算方法，虽然将面特征参数应用到变形监测中，但只是用到了平面特征参数，不能满足大型复杂建筑物的变形监测的需要。基于建筑物整体点云数据特征提取方法，比如主成分分析法，只是利用数学计算方法对整体点云数据的主成分向量进行提取，该方法仍然没有考虑建筑物各曲面之间的约束关系，因此，也不能对建筑物各部位之间的局部空间变形进行判断。除此之外，目前基于建筑物点云数据的曲面特征提取方法，大多只是利用曲率和法失向量，将具有相似特征的点云数据区分开来，来实现点云数据的分割，并没有进行点云数据曲面类型的判断识别，更没有将建筑物曲面之间的约束关系应用到建筑物变形监测中，因此，在建筑物的变形分析中就没有考虑建筑物各部位之间的相对变形，从而会降低建筑物变形监测的精度和可靠性。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，将建筑物曲面自动识别技术和曲面约束关系判断技术应用到建筑物变形监测中，提出了一种基于点云曲面特征约束的建筑物局部变形分析方法，以提高变形监测精度和可靠性。