[发明专利]基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法

摘要

本发明公开了一种基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法。它包括封闭曲面三维激光点云数据预处理；提取封闭曲面中心线，对封闭曲面进行中心线提取，采用迭代算法处理点云的中心线提取；迭代算法所采用的初值选用封闭曲面的设计中心线；截取点云断面；基于几何拟合的断面形变检测方法；曲面数据的自动对比，对多期点云的同里程处的断面进行比较，得到同里程处断面在不同测量时期的形变信息；以各断面拟合所得的中心点为基准，在断面所在的平面内对各个方向上的多期点云进行对比分析；通过参数设定断面所在平面各方向的疏密程度，形变检测算法支持批量断面对比分析操作。具有能够为工程的安全性论证提供重要的原始资料的优点。

主权项

基于三维激光点云的封闭曲面变形检测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：封闭曲面三维激光点云数据预处理引入多期的封闭曲面三维激光点云数据，每期数据均记录x、y、z的坐标信息；在使用地面三维激光扫描仪对封闭曲面进行多期扫描时，选择高密度扫描模式，采用R树空间索引结构技术对海量点云数据进行包括输入、显示、切割的操作和管理；对多期点云数据进行包括配准、去噪、抽稀的常规预处理；步骤2：提取封闭曲面中心线对封闭曲面进行中心线提取，采用迭代算法处理点云的中心线提取；迭代算法所采用的初值选用封闭曲面的设计中心线；采用迭代算法处理点云的中心线提取方法：以封闭曲面的设计中心线为基准对封闭曲面进行初步断面截取，分别对各断面点云进行高精度拟合，各断面的拟合中心的连线即为初步中心线；当拟合的初步中心线符合限差要求时，可确认为封闭曲面中心线；当拟合的初步中心线不符合限差要求时，需重新进行步骤2的中心线提取工作；步骤3：截取点云断面以步骤2获得的封闭曲面中心线为基准，对封闭曲面的点云数据进行断面截取；该步骤将从第1期到第n期引入多期点云数据，n＞1，分别截取点云断面；步骤4：基于几何拟合的断面形变检测方法在对断面的形变进行检测时，由于测量误差的存在，待拟合点与模型之间存在偏差，将偏差值设为e_i；将偏差值e_i定义为待拟合点(x_i,y_i,z_i)与模型的欧式距离，几何拟合的模型定义为与待拟合点偏差平方和最小的模型，如公式⑴所示：$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{e_i}^2=min---\left(1\right)$式中，待拟合点(x_i,y_i,z_i)从第1到第m个计数，m＞1，e_i为第i点的偏差值，min为最小值；(x_i,y_i,z_i)为待拟合点在X轴、Y轴、Z轴上的坐标；模型的几何拟合算法是将公式⑴的求解采用最优化算法来解决，包括对于平面ax+by+cz+d＝0的几何拟合，等价于最优化问题公式(2)的求解；优化问题属于非线性最小二乘问题，采用Gauss‑Newton迭代算法对公式(2)进行求解：$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{e_i}^2=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left(\frac{\left|{\mathrm{ax}}_i+{\mathrm{by}}_i+{\mathrm{cz}}_i+d\right|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\right)}^2=min---\left(2\right)$式中，a、b、c为线性拟合的系数，d为常数；步骤5：曲面数据的自动对比对多期点云的同里程处的断面进行比较，得到同里程处断面在不同测量时期的形变信息；以各断面拟合所得的中心点为基准，在断面所在的平面内对各个方向上的多期点云进行对比分析；通过参数设定断面所在平面各方向的疏密程度，形变检测算法支持批量断面对比分析操作；对比即是求差运算，对比的结果即为检测结果，通过与视具体工程对差异大小的具体规定设定的阈值的比较，在超出阈值情况下发出预警。