基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011206385.9 (22)申请日 2020.11.03 (71)申请人 湖南联智科技股份有限公司 地址 410200 湖南省长沙市望城经济技术 开发区沿河路二段168号 (72)发明人 梁晓东杨承昆吴勇生文言 (74)专利代理机构 长沙七源专利代理事务所 (普通合伙) 43214 代理人 刘伊旸周晓艳 (51)Int.Cl. G01C 15/00(2006.01) G01C 15/12(2006.01) (54)发明名称 一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方 法 (5。

2、7)摘要 本发明提供了一种基于海量点云数据的桥 墩位姿测量方法， 在对桥墩进行点云扫描后包括 点云按照Z值分层、 生成切片影像、 影像直线检 测、 生成桥墩面缓冲区、 导出桥墩面点云、 生成桥 墩基准面和计算桥墩位姿等步骤。 本发明的方法 对海量点云数据分层处理， 在处理桥墩高度大于 60m的高墩点云数据时无需打开全部点云数据， 对硬件要求低， 易用性与普适性较强； 数据处理 可以实现自动化， 无需人为干预即可得到高墩垂 直度数据和位姿图， 根据桥墩位姿图可以直观地 获取高墩面垂直信息； 可以测量表面无明显角特 征点的、 非圆形桥墩以及圆柱形桥墩的垂直度， 适应性较强。 权利要求书3页 说明书。

3、7页 附图3页 CN 112033385 A 2020.12.04 CN 112033385 A 1.一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 扫描桥墩获取调平后相应的点云原始坐标数据； 步骤2： 按照Z轴方向将均分为n层， 舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心过远和过近的 点； 各层的数据按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内， 并生成总索引文件用于记录 点云文件层数n、 各层点云文件的数据量和各层数据的Z坐标范围； 其中 ，为自然数； 步骤3： 删去 106的层数， 剩余总层数m， 并更新总索引文件， 同时记录总剩余点云中最 高点Z坐标与最低点Z坐标； 。

4、步骤4： 设 为最小有效层高， 根据步骤3中总索引文件选取 所在的点云层数， 取此Z值范围内的点云Da， 并在 XOY面投影， 得到处点云切片平面二值图像， 按比 例压缩得到压缩后图像； 步骤5： 对进行多尺度Hough变换探测直线对象， 生成文件记录直线探测结果； 步骤6： 重复步骤4和步骤5， 分别得到处 图像的直线探测结果文件和处图像 的直线探测结果文件， 其中b为桥墩设计高度的 ； 步骤7：、 、按照比例放大后记为、 、；， ，中探测直线坐标同时 按照比例放大后记为， ，； 进一步在每条已探测直线周围设置半径为桥墩设计高度 的1的缓冲区， 缓冲区范围信息存入， ，中； 分别将、中每条探。

5、测直线的缓冲区面积、与中相同位置探测直线的缓 冲区面积代入公式1） 计算重叠度和； 重叠度计算公式： 1） ； 记录， ，中对应Z值范围的对应直线、 直线编号与其缓冲区 范围并按照对应Z值范围分别存入文件、 、； 其中 、 分别为两条相同位置探测直 线的对应缓冲区面积； 步 骤 8 ： 设， ； 当时， 令； 当时， 令； 得到Z值区间、和， 逐个打开各层点云数据 ， 根据各层数据的Z坐标范围分别以、 、缓冲区作为限定条件导出 桥墩表面点云数据； 权利要求书 1/3 页 2 CN 112033385 A 2 对所有导出的桥墩点云数据进行合并得到桥墩各侧平面点云， 的个数 由桥墩面实际扫描个数而。

6、定； 步骤9： 重复步骤4和步骤5中直线探测， 在中处探测直线， 并将已探 测直线的端点和， 代入垂直于XOY面的平面一般方程即可求 出中基准面参数A和B， 即； 步骤10： 计算各点坐标到对应基准面距离， 并根据距离的大小对应色谱图不同颜色 来表示桥墩位姿， 得到桥墩位姿图。 2.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 步骤2 中舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心15-25m外和2-10m内的点； 所述步骤2中还包括将Z值 统一加常数， 使得所有点Z坐标值大于0。 3.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 步骤4 中按比例100。

7、:1压缩得到压缩后图像。 4.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 步骤4 中最小有效层高 取值范围为0.01-1m。 5.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 步骤5 中直线探测时进步尺寸单位半径设置为1像素， 单位角度设置为1 ， 累加平面的阈值参数设 置为8像素； 文件记录所有探测直线按照方位顺序的编号和首末端点。 6.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 步骤7 中判断探测直线是否在同一位置判断条件为： 分别计算、中每条探测直线的中点坐 标与中每条探测直线的中点坐标间距， 当间距小于0。

8、.1m时认为两探测直线在相同位置。 7.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 步骤7 中、 、按照比例1:100放大后记为、 、；， ，中探测直线坐标同时按照 比例1:100放大后记为， ，。 8.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 所述 步骤8中导出桥墩表面点云数据具体是： 当、或时， 分别以对应的、 、缓冲区作为限定条件导出桥 墩表面点云数据； 当某层点云有时， 计算中属于和的占比； 其 中Z值大于的点云占比， Z值小于的点云占比， 点云数据按照该占比分层， 并分别以对应的、 区域作为限定条件导出桥墩表面点云数 据； 当。

9、某层点云有时， 计算中属于和的占比； 其 中Z值大于的点云占比， Z值小于的点云占比， 点云数据按照该占比分层， 并分别以对应的、区域作为限定条件导出桥墩表面点云数 权利要求书 2/3 页 3 CN 112033385 A 3 据。 9.根据权利要求1所述的基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 其特征在于， 当目标 桥墩为圆柱形时， 步骤5中使用Hough圆变换检测圆形或椭圆形截面。 权利要求书 3/3 页 4 CN 112033385 A 4 一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法 技术领域 0001 本发明涉及工程施工技术领域， 具体涉及一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量 方法。 背景技术。

10、 0002 山区高速公路钢混桥墩高度高， 跨度大， 在桥墩完成浇筑后， 必须验收桥墩垂直度 等桥墩位姿数据， 在验收合格后方能进行桥梁铺设。 山区地形复杂多变， 用传统方法测量超 高桥墩位姿方法需要工程人员亲自上梁测量， 危险系数较高且精度难以保证， 高桥墩、 大仰 角垂直度测量较困难。 0003 三维激光扫描技术发展迅速， 因其无接触、 远距离、 高效、 和高精度获取被扫描物 体表面坐标、 颜色和反射率等多元海量点云数据的特性， 已经代替了很多传统的单点坐标 测取方式。 通过该技术进行桥墩的位姿测量已有部分研究， 分别通过建模、 直线拟合、 桥墩 特征点连线等方法检测桥墩位姿。 但超高桥墩数。

11、据量庞大 （海量点云） ， 对工作电脑硬件、 软 件要求较高， 导致三维激光扫描方法无法在一般工程工作中进行普及。 并且数据处理步骤 繁琐， 人工干预较多， 工作量较大， 自动化水平低， 人为粗差不可避免。 0004 综上所述， 急需一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法以解决现有技术中存 在的问题。 发明内容 0005 本发明目的在于提供一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 具体技术方案 如下： 一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法， 包括以下步骤： 步骤1： 扫描桥墩获取调平后相应的点云原始坐标数据； 步骤2： 按照Z轴方向将均分为n层， 舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心过远和过近 。

12、的点； 各层的数据按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内， 并生成总索引文件用于 记录点云文件层数n、 各层点云文件的数据量和各层数据的Z坐标范围； 其中， 为自然数； 步骤3： 删去106的层数， 剩余总层数m， 并更新总索引文件， 同时记录总剩余点云中 最高点Z坐标与最低点Z坐标； 步骤4： 设为最小有效层高， 根据步骤3中总索引文件选取 所在的点云层数， 取此Z值范围内的点云Da， 并 说明书 1/7 页 5 CN 112033385 A 5 在XOY面投影， 得到处点云切片平面二值图像， 按比例压缩得到压缩后图像； 步骤5： 对进行多尺度Hough变换探测直线对象， 生成文件记录直线探。

13、测结果； 步骤6： 重复步骤4和步骤5， 分别得到 处图像的直线探测结果文件和处 图像的直线探测结果文件， 其中b为桥墩设计高度的； 步骤7：、按照比例放大后记为、；，中探测直线 坐标同时按照比例放大后记为，； 进一步在每条已探测直线周围设置半径为 桥墩设计高度的1的缓冲区， 缓冲区范围信息存入，中； 分别将、中每条探测直线的缓冲区面积、与中相同位置探测直线 的缓冲区面积代入公式1） 计算重叠度和； 重叠度计算公式： 1） ； 记录，中对应Z值范围的对应直线、 直线编号与其 缓冲区范围并按照对应Z值范围分别存入文件、； 其中、 分别为两条相同 位置探测直线的对应缓冲区面积； 步骤8： 设， ；。

14、 当时， 令； 当时， 令； 得到Z值区间、和， 逐个打开各层点云 数据， 根据各层数据的Z坐标范围分别以、缓冲区作为限定 条件导出桥墩表面点云数据； 对所有导出的桥墩点云数据进行合并得到桥墩各侧平面点云，的 个数由桥墩面实际扫描个数而定； 步骤9： 重复步骤4和步骤5中直线探测， 在中处探测直线， 并将已 探测直线的端点和， 代入垂直于XOY面的平面一般方程 说明书 2/7 页 6 CN 112033385 A 6 即可求出中基准面参数A和B， 即； 步骤10： 计算各点坐标到对应基准面距离， 并根据距离的大小对应色谱图不同颜色 来表示桥墩位姿， 得到桥墩位姿图。 0006 以上技术方案中优。

15、选的， 步骤2中舍去X坐标和Y坐标方向距扫描中心15-25m外和 2-10m内的点； 所述步骤2中还包括将Z值统一加常数， 使得所有点Z坐标值大于0。 0007以上技术方案中优选的， 步骤4中按比例100:1压缩得到压缩后图像。 0008以上技术方案中优选的， 步骤4中最小有效层高取值范围为0.01-1m。 0009 以上技术方案中优选的， 步骤5中直线探测时进步尺寸单位半径设置为1像素， 单 位角度设置为1 ， 累加平面的阈值参数设置为8像素； 文件记录所有探测直线按照方位 顺序的编号和首末端点。 0010 以上技术方案中优选的， 步骤7中判断探测直线是否在同一位置判断条件为： 分别 计算、。

16、中每条探测直线的中点坐标与中每条探测直线的中点坐标间距， 当间距 小于0.1m时认为两探测直线在相同位置。 0011以上技术方案中优选的， 步骤7中、按照比例1:100放大后记为、 、；，中探测直线坐标同时按照比例1:100放大后记为，。 0012 以上技术方案中优选的， 所述步骤8中导出桥墩表面点云数据具体是： 当、或时， 分别以对应的、缓冲区作为限定条件 导出桥墩表面点云数据； 当某层点云有时， 计算中属于和的占 比 ； 其 中 Z 值 大 于的 点 云 占 比， Z 值 小 于的 点 云 占 比 ， 点云数据按照该占比分层， 并分别以对应的、区域作为 限定条件导出桥墩表面点云数据； 当某。

17、层点云有时， 计算中属于和的占 比 ； 其 中 Z 值 大 于的 点 云 占 比， Z 值 小 于的 点 云 占 比 ， 点云数据按照该占比分层， 并分别以对应的、区域作为 限定条件导出桥墩表面点云数据。 0013 以上技术方案中优选的， 当目标桥墩为圆柱形时， 步骤5中使用Hough圆变换检测 圆形或椭圆形截面。 说明书 3/7 页 7 CN 112033385 A 7 0014 应用本发明的技术方案， 具有以下有益效果： （1） 本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法可以测量表面无明显角特征 点的、 非圆形桥墩的垂直度； 当目标桥墩为圆柱形时， 可以使用Hough圆变换检测圆形、 。

18、椭圆 形截面， 并依步骤得到相应的圆形桥墩位姿图， 改变参数同样可以对圆形桥墩垂直度进行 检测， 适应性较强。 0015 （2） 本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法， 数据处理可以实现自 动化， 无需人为干预即可得到高墩垂直度数据和位姿图， 根据桥墩位姿图可以直观地获取 高墩面垂直信息。 0016 （3） 本发明的基于海量点云数据的桥墩位姿自动测量方法， 对海量点云数据分层 处理， 在处理桥墩高度大于60m的高墩点云数据时无需打开全部点云数据， 对硬件要求低， 易用性与普适性较强； 本发明的测量方法同样适用于高度较低的桥墩， 当桥墩高度为较低 时， 点云分层数与直线搜索所用点云切片。

19、影像可以适当减少。 0017 除了上面所描述的目的、 特征和优点之外， 本发明还有其它的目的、 特征和优点。 下面将参照图， 对本发明作进一步详细的说明。 附图说明 0018 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解， 本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。 在附图中： 图1是本发明优选实施例中一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法流程图； 图2 （a） 是本发明优选实施例中上层点云切片缓冲区编号图； 图2 （b） 是本发明优选实施例中中层点云切片缓冲区编号图； 图2 （c） 是本发明优选实施例中下层点云切片缓冲区编号图； 图2 （d） 是本发。

20、明优选实施例中桥墩点云切片缓冲区重合影像图； 图3是本发明优选实施例中桥墩位姿图。 具体实施方式 0019 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明， 但是本发明可以根据权利要求限 定和覆盖的多种不同方式实施。 0020 实施例1： 参见图1-3， 本实施例提供一种基于海量点云数据的桥墩位姿测量方法的具体案例， 步 骤如下： 步骤1： 待测桥墩设计高度65m， 采用薄壁空心墩， 桥墩水平截面为圆角矩形， 矩形长约 7.3m， 宽约3.0m， 三维激光扫描仪架设在距离待扫描高墩约10m处并精确调平， 设置高精度 扫描高墩， 视场内包含桥墩两侧面， 导出相应的点云原始坐标数据； 步骤2： 按照Z轴。

21、方向将均分为10层， 舍去X、 Y坐标距扫描中心20m外和5m内的点， 各 层数据按照Z值大小排序存储在单独的点云文件内， 并生成总索引文件用于记录每个点 云文件信息： 层数序列、 各层点云文件的数据量和各层数据的Z坐标范围 说明书 4/7 页 8 CN 112033385 A 8 ， Z值由低到高层数依次增加， 本实施例中； 其中将Z值统一加常数1000； 步骤3： 删去106的层数第1层和第10层， 剩余总层数8， 并更新总索引文件， 每层数据 约200M B ， 同 时 记录 总剩余点云中 最高 点Z坐标与最 低点Z坐标 ，； 步骤4： 设为最小有效层高， 本实施例中取0.01m； 根据。

22、步骤3中总索引文件选取 所在的点云层数第5层， 取此Z值范围内的点云， 并在XOY面 投影， 得到处40m*40m点云切片平面二值图像， 图像分辨率 200000*200000， 其中有点云处像素值为1， 无点云处像素值为NaN， 按比例100:1压缩， 得 到压缩后0.4m*0.4m图像， 分辨率2000*2000； 步骤5： 对进行多尺度Hough变换探测直线对象， 直线探测时进步尺寸单位半径设置 为1像素， 单位角度设置为1 ， 累加平面的阈值参数设置为8像素； 生成文件记录直线探 测结果， 即分别记录所有探测直线按照方位顺序的编号和首末端点； 步骤6： 重复步骤4和步骤5， 分别得到、。

23、 处图像和的直线探测结果文件、； 步骤7：，中探测直线坐标同时按照比例1:100放大后记为， ； 进一步在每条已探测直线周围设置半径为0.065m的缓冲区， 缓冲区范围信息存入， ，中，、按照比例1:100放大后记为、， 并将，中 编号信息标记在相应探测直线旁， 参见图2(a)、 图2(b)和图2(c)； 分别将、中每条探测直线的缓冲区面积、与中相同位置探测直线 的缓冲区面积代入公式1） 计算重叠度和， 重叠度计算结果见表1与表2； 判断探 测直线是否在同一位置判断条件为： 分别计算、中每条探测直线的中点坐标与 中每条探测直线的中点坐标间距， 当间距小于0.1m时认为两探测直线在相同位置； 重。

24、叠度计算公式： 1） ； 表1统计 编号同处编号(m2)(m2)(m2) 1a+b1a0.4660.4710.43091.63% 2a+b2a0.9010.9190.78986.73% 3a+b3a1.0921.0810.96588.81% 4a+b4a2.6772.6772.48892.93% 说明书 5/7 页 9 CN 112033385 A 9 表1中、分别为和对应缓冲区面积 表2统计 编号同处编号(m2)(m2)(m2) 1a-b无0.553000% 2a-b无0.414000% 3a-b无0.695000% 4a-b无0.352000% 5a-b无1.575000% 6a-b3a1。

25、.0601.0811.00693.93% 7a-b4a2.6592.6772.62198.23% 表2中、分别为和对应缓冲区面积。 0021由表1和表2， 记录，中对应Z值范围的对应直 线、 直线编号与其缓冲区范围并按照对应Z值范围分别存入文件、， 第一个重 叠区域为 “中编号3a+b区域与中编号3a区域与中编号6a-b区域” ， 第二个重叠区域 为 “中编号4a+b区域与中编号4a区域与中编号7a-b区域” ， 分别为两侧墩面三维点 所在水平面投影区域， 参见图2(d)； 步骤8： 设， ，； 有Z值区间、 ， 逐个打开各层点云文件， 根据步骤2与步骤3中 总索引文件记录的Z坐标范围； 得到。

26、， ， 最后分别以、缓冲 区作为限定条件， 导出Z值区间分别在、内各层点云文件的墩面点云， 最后合并 为桥墩两侧面点云得到与； 步骤9： 重复步骤4、 步骤5中直线探测， 在中处探测直线， 并将已探测直线的端点和， 代入垂直于XOY面的平面一般方 程求出中基准面参数， 同理 说明书 6/7 页 10 CN 112033385 A 10 得到中处已探测直线的端点和 ， 该基准面参数； 步骤10： 计算与中各点坐标到对应基准面距离， 并根据距离D的大小不同对应色 谱图不同颜色来表示桥墩位姿， 得到桥墩位姿图， 参见图3， 并用于计算桥墩各个位置的垂 直度和平整度。 最终得到该高墩最高点垂直度最大值。

27、为0.028m， 根据 公路工程质量检验评 定标准 第一册 土建工程 (JTG F80/1-2017)未超过60m以上桥墩垂直度限制偏差0.03m， 符合设计要求。 0022 以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技 术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修 改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 7/7 页 11 CN 112033385 A 11 图1 图2 （a） 图2 （b） 说明书附图 1/3 页 12 CN 112033385 A 12 图2 （c） 图2 （d） 说明书附图 2/3 页 13 CN 112033385 A 13 图3 说明书附图 3/3 页 14 CN 112033385 A 14 。