一種基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，包括步驟：兩期點云數(shù)據(jù)采集并配準；對穩(wěn)定墻面進行降維分析；計算測站點在固定墻面所在平面的投影點并建立結構坐標系；將兩期點云數(shù)據(jù)轉換到結構坐標系；利用K均值分類方法得到磚塊點云和砂漿點云；將砂漿點云分別投影至Z方向和Y方向；定義固定窗口長度Lfix和移動窗口長度Lmove，計算沿Z方向和Y方向點云線密度變化；求取磚塊間橫向和縱向分割線，計算各磚塊四個角點坐標和各磚塊中心；利用兩期相對應磚塊中心進行變化檢測。本發(fā)明自動提取墻面各磚塊中心變形信息，自動化程度大幅提高，充分挖掘原始數(shù)據(jù)，在精度保證的前提下，確保了磚石結構建筑物各個磚塊的變形信息能夠有效獲取。
【專利說明】
一種基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明設計一種建筑物變化檢測方法，具體涉及一種基于移動窗口的建筑物變化 檢測方法。
【背景技術】
[0002] 在城市中，建筑物是人類活動的主要場所，其安全狀況關系到人類日常生活及經(jīng) 濟活動，因此，對建筑物進行變化檢測具有十分重要的意義，基于建筑物的變化檢測和修 復，尤其是由地震引起的建筑物變形與損壞，是近年來業(yè)內的研究重點，在建筑物結構的發(fā) 展史上，磚石結構自古以來常被廣泛用于建筑物的基礎結構，用磚、石塊、砌體及土還等各 種塊體，以灰漿(砂漿、黏土漿等)砌筑而成的一種組合體為磚石結構，磚石結構因造價低、 耐火性、耐久性及施工簡易被廣泛使用，但是其砌體強度較低，抗震能力較差，因此，對磚石 結構的建筑物進行變化檢測的研究具有及其重要的現(xiàn)實意義，現(xiàn)有的基于影像的變化檢測 方法，按照信息處理的層次，可以分為基于像素、基于特征和基于目標的變化檢測，而對于 激光雷達(Light Detection And Ranging)LiDAR數(shù)據(jù)的變化檢測也逐漸開始在攝影測量 與計算機視覺界得到研究，而基于影像的變化檢測方法精度不夠高，目標不夠明確，且易受 影像質量的影響，獲取的變形信息也不夠豐富，無法準確獲取磚石結構建筑物中每塊磚的 變形信息，此外，自動化程度低也嚴重影響了變化檢測的效率。

【發(fā)明內容】

[0003] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于移動窗口投影 點密度的建筑物變化檢測方法。
[0004] 技術方案:本發(fā)明的一種基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，包括 以下步驟：
[0005] (1)采用激光掃描儀系統(tǒng)對同一建筑物進行兩期掃描，獲取建筑物表面點云數(shù)據(jù)， 在變化建筑物外圍設置m個標靶，其中，m多3,激光掃描儀系統(tǒng)的觀測值為建筑物表面點的 三維坐標和激光反射強度；
[0006] (2)利用步驟1)設置的標靶，計算兩期點云坐標轉換參數(shù)Z，對點云進行配準；
[0007] (3)選取固定墻面點云數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法對其進行降維分析，獲得特征向 量( Vl，i = l，2,3)，計算測站點在固定墻面所在平面的投影，將其作為坐標原點，建立結構 坐標系，將點云數(shù)據(jù)由測站坐標系轉換至結構坐標系；
[0008] (4)基于點云數(shù)據(jù)的強度信息，采用K均值聚類方法對變化墻面的點云進行分類， 分離得到磚塊點云和砂漿點云；
[0009] (5)利用步驟(4)得到的砂漿點云，將點云坐標投影至Z方向和Y方向，定義固定窗 口長度L fix和移動窗口長度Lm_，通過移動窗口，分別計算沿Z方向和Y方向點云線密度變 化；
[0010] (6)根據(jù)步驟(5)得到的線密度變化，分別求取各磚塊間橫向和縱向分割線，計算 每個磚塊四個角點坐標，建立磚塊模型；
[0011] (7)根據(jù)步驟(6)得到的磚塊模型獲取各磚塊點云，計算各磚塊中心；
[0012] (8)根據(jù)步驟(7)得到的兩期相應的磚塊中心三維坐標，獲取變形信息。
[0013] 優(yōu)選的，步驟(1)兩期掃描過程中，標靶固定不動。
[0014] 優(yōu)選的，步驟(2)與步驟(3)中所述三維坐標轉換方程具體如下：
[0015]設矩陣A為A坐標系下的點云三維坐標，矩陣B為B坐標系下的點云三維坐標，A、B兩 坐標系的三維坐標轉換方程如下所示：
[0017] ( △ X、△ y和△ z表示坐標原點的平移量，k為尺度因子，k = 0，R為A坐標系到B坐標 系的旋轉矩陣）
[0018] 優(yōu)選的，步驟(2)所述由兩期數(shù)據(jù)配準轉換參數(shù)的計算具體如下：
[0019] 坐標轉換參數(shù)Z進一步寫成，Ζ= [ Δ X，Δ y，Δ ζ，εχ，εγ，εζ，1]利用最小二乘法對坐 標轉換參數(shù)Ζ進行參數(shù)估計，可得坐標轉換參數(shù)Ζ的估值為：
[0020] Z=(ATQ-1)-VQB
[0021 ]式中，Q為B坐標系下m個標靶坐標測量誤差的協(xié)方差矩陣，形式如下：
[0023]優(yōu)選的，步驟(3)所提由測站坐標系轉換至結構坐標系中主成分分析降維及坐標 原點確定的具體方法為：
[0024]設掃描點X的三維坐標{Xi = (Xi，yi，Zi) | i = 1，2，…，η}，構造相應的協(xié)方差矩陣：
[0026] 其中，M = (AV-叉尤·I為點集的重心坐標，對矩陣C進行主成 分分析，可求得三個特征值λχ、λ2、λ3按降序排列，得到λ:多λ2 >λ3 > 〇，λ3所對應的特征向量 V3，且V3為法向量，V3為結構坐標系的X軸在測站坐標系下的單位向量，而結構坐標系的Ζ軸 指向與測站坐標系一致，Υ軸垂直于確定的Χ0Ζ平面，構成右手坐標系，計算測站點坐標S(0， 〇,〇)在固定墻面所在平面的投影3'（^，^，^)，將其作為結構坐標系的坐標原點，因此平移 向量（Δχ, Ay,八2) = (1，-73，-23)，確立了平移參數(shù)及坐標軸旋轉參數(shù)后，將兩期配準后 的點云數(shù)據(jù)旋轉至結構坐標系；
[0027] 優(yōu)選的，步驟(4)所提基于強度信息的K均值聚類方法分離墻面磚塊和砂漿的具體 方法為：
[0028] 采用聚類誤差平方和函數(shù)E作為聚類準則函數(shù)，以點強度信息作為分類屬性，其 中
是第i類第j個樣本，nu是第i類的聚類中心或稱質心，ru是第i類 樣本個數(shù)，K均值聚類算法通過反復迭代尋找k個最佳的聚類中心，其中k = 2，將全體η個樣 本點分配到離它最近的聚類中心，使得聚類誤差平方和Ε最小，過程如下：
[0029] a，隨機指定k個聚類中心mi(i = l，2,…，k);
[0030] b，對每一個樣本xi找到離它最近的聚類中心，將其分配到該類；
[0031 ] c，重新計算各簇新中心：
j_= 是第i簇當前樣本數(shù)；
[0032] d，計算偏差，
[0033] e，如果E值收斂，貝lj返回mi(i = l，2，···，k)，算法終止，否則返回b;
[0034]優(yōu)選的，步驟(5)所提利用砂漿點云，基于窗口移動法計算點云線密度變化，其具 體方法如下：
[0035] 設砂漿的平均寬度為已知量LMrtar，定義固定窗口長度Lfix和移動窗口長度L Mve， 三者滿足如下關系：
[0036] Lmortar ~ Lwindow+2Lmove
[0037] 分別計算沿Z方向和Y方向移動窗口數(shù)目：
[0039]其中[]為取整符號，
[0040]分別計算沿Z方向和Y方向各個窗口內的點數(shù)目：
[0041 ] nzi(i = 1,2, ··· ,ny) ,nyi(i = 1,2, ··· ,nz)
[0042 ]分別計算沿Ζ方向和Υ方向的點的線密度：
[0043] Density_z = (nz(i-i)+nzi+nz(i+i))/(3Lfix) (i = 2,3,…，（ηζ_1))
[0044] Density_y = (ny(i-i)+nyi+ny(i+i))/(3Lfix) (i = 2,3,…，（ny-l))
[0045] 對于Z方向和Y方向各個窗口，計算其線密度變化率：
[0046] Grad(i,1)=Density_y(i)-Density_y(i-l)
[0047] Grad(i,2)=Density_y(i+l)-Density_y(i)
[0048] 優(yōu)選的，步驟(6)所述利用線密度變化，計算各磚塊間橫向和縱向分割線，其具體 方法如下：
[0049]對于分析的Z方向或Y方向，點云線密度在垂直于該方向的砂漿接縫處明顯高于非 接縫處區(qū)域，因此，選定該方向上窗口平均密度作為閾值
，ΙΗ_1為點 云總數(shù)目），當窗口內點云密度大于閾值，且滿足Grad(i，1) >0和Grad(i，2) <0時，所處固 定窗口即為砂衆(zhòng)接縫的范圍，通過砂衆(zhòng)接縫范圍內的點云計算砂衆(zhòng)接縫中心線，再通過磚 塊四周接縫中心線計算磚塊模型四個角點坐標，建立磚塊模型。
[0050]有益效果:本發(fā)明的一種基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，一方 面自動化程度高，另一方面充分利用了原始數(shù)據(jù)，精度高，在精度保證的前提下，確保了磚 石結構建筑物各個磚塊的變形信息能夠有效獲取。
【附圖說明】
[0051 ]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0052] 圖2為本發(fā)明的測站坐標系示意圖；
[0053] 圖3為本發(fā)明的結構坐標系不意圖；
[0054]圖4為本發(fā)明的磚塊模型示意圖；
[0055]圖5為本發(fā)明選取的某一墻面K均值分類結果；
[0056]圖6為本發(fā)明點云投影點線密度變化直方圖；
[0057]圖7為本發(fā)明提取的各磚塊中心點不意圖；
[0058]圖8位本發(fā)明獲取的磚塊三維變形信息。
【具體實施方式】
[0059] 下面對本發(fā)明技術方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施 例。
[0060] 如圖1所示，一種基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，包括以下步 驟：
[0061] (1)采用激光掃描儀系統(tǒng)對同一建筑物進行兩期掃描，獲取建筑物表面點云數(shù)據(jù)， 在變化建筑物周圍固定區(qū)域設置m個標靶，一般情況下m多4,考慮到激光掃描儀自帶自動安 平功能，且每次測量時儀器均為水平狀態(tài)，因此，m多3即可，激光掃描儀系統(tǒng)的觀測值為建 筑物表面點的三維坐標和激光反射強度；
[0062] (2)利用步驟(1)設置的標靶，計算兩期點云坐標轉換參數(shù)Z，對點云進行配準；
[0063] (3)選取固定墻面點云數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法對其進行降維分析，獲得特征向 量(^4 = 1，2,3)，計算測站點在固定墻面所在平面的投影，將其作為坐標原點0，建立結構 坐標系，將點云數(shù)據(jù)由測站坐標系轉換至結構坐標系；
[0064] (4)基于點云數(shù)據(jù)的強度信息，采用K均值聚類方法對變化墻面的點云進行分類， 分離得到磚塊點云和砂漿點云；
[0065] (5)利用步驟(4)得到的砂漿點云，將點云坐標投影至Z方向和Y方向，定義固定窗 口長度Lfix和移動窗口長度Lm_，通過移動窗口，分別計算沿Z方向和Y方向點云線密度變 化；
[0066] (6)根據(jù)步驟(5)得到的線密度變化，分別求取各磚塊間橫向和縱向分割線，計算 每個磚塊四個角點坐標，建立磚塊模型；
[0067] (7)根據(jù)步驟(6)得到的磚塊模型獲取各磚塊點云，計算各磚塊中心；
[0068] (8)根據(jù)步驟(7)得到的兩期相應的磚塊中心三維坐標，獲取變形信息。
[0069]以"某實驗場磚石結構建筑在地震前后變化檢測"為例，對本發(fā)明作進一步闡述： [0070] {1}利用Leica C10激光掃描儀系統(tǒng)對建筑物進行掃描，在如圖5所示位置架設儀 器，在實驗建筑物以外穩(wěn)定區(qū)域布設4個標靶，分別在地震測試前后進行掃描，獲取兩期建 筑物表面激光點云數(shù)據(jù)，觀測值包含兩類:三維坐標，激光反射強度；
[0071] {2}如圖2所示，以測站為中心，豎直方向為Z軸，利用步驟{1}設置的標靶，計算兩 期點云坐標轉換參數(shù)Z，將地震測試后點云坐標配準至地震測試前點云測站坐標系中，至 此，兩期點云處于相同的坐標系下，以便于后期進行變形分析；
[0072] {3}如圖3所示，三個坐標軸分別平行于建筑物以某角點為中心的相鄰三個面，選 取固定墻面點云數(shù)據(jù)，利用主成分分析進行降維分析，獲得固定墻面法向量，即結構坐標系 X軸單位向量為[0.9348 0.3551 0.0011]，結構坐標系Z軸單位向量為[0 0 1]，因此Y軸單 位向量為[0.3551 -0.9348 0]，測站坐標系坐標原點至固定墻面的投影點為[8.2766 3.1442 0.0095]，根據(jù)上述參數(shù)及轉換關系，將點云數(shù)據(jù)由測站坐標系轉換至結構坐標系； [0073] {4}如圖5所示，根據(jù)點云數(shù)據(jù)的強度信息，采用K均值聚類方法分別對兩期墻面的 點云進行分類，分離得到磚塊點云和砂漿點云；
[0074] {5}經(jīng)過現(xiàn)場勘查與測量，磚塊間砂漿的平均寬度為10-12mm，因此，根據(jù)LMrtar~ Lwind〇w+2Lm〇ve定義固定窗口長度Lf ix = 0 · 008m和移動窗口長度Lm〇Ve = 0 · 002m，利用步驟{4}得 到的砂漿點云，將點云坐標投影至Z方向和Y方向，通過移動窗口，分別計算沿Z方向和Y方向 點云線密度變化，結果如圖6所示；
[0075] {6}根據(jù)步驟{5}得到的線密度變化，分別求取各磚塊間的縱向和橫向分割線，并 計算每個磚塊的四個角點坐標，建立如圖4所示的磚塊模型；
[0076] {7}如圖7所示，根據(jù)步驟{6}得到的磚塊模型獲取各磚塊點云數(shù)據(jù)，計算各磚塊中 心；
[0077] {8}如圖8所示，根據(jù)步驟{7}得到的兩期相應的磚塊中心三維坐標，獲取變形信 息。
【主權項】
1. 一種基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，其特征在于:包括W下步驟： (1) 采用激光掃描儀系統(tǒng)對同一建筑物進行兩期掃描，獲取建筑物表面點云數(shù)據(jù)，在變 化建筑物外圍設置m個標祀，其中，m>3,激光掃描儀系統(tǒng)的觀測值為建筑物表面點的Ξ維 坐標和激光反射強度； (2) 利用步驟（1)設置的標祀，計算兩期點云坐標轉換參數(shù)Z，對點云進行配準； (3) 選取固定墻面點云數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法對其進行降維分析，獲得特征向量 (vi，i = l，2,3)，計算測站點在固定墻面所在平面的投影，將其作為坐標原點，建立結構坐 標系，將點云數(shù)據(jù)由測站坐標系轉換至結構坐標系； (4) 基于點云數(shù)據(jù)的強度信息，采用K均值聚類方法對變化墻面的點云進行分類，分離 得到磚塊點云和砂漿點云； (5) 利用步驟(4)得到的砂漿點云，將點云坐標投影至Z方向和Y方向，定義固定窗口長 度Lf ix和移動窗口長度Lmnve，通過移動窗口，分別計算沿Z方向和Y方向點云線密度變化； (6) 根據(jù)步驟(5)得到的線密度變化，分別求取各磚塊間橫向和縱向分割線，計算每個 磚塊四個角點坐標，建立磚塊模型； (7) 根據(jù)步驟(6)得到的磚塊模型獲取各磚塊點云，計算各磚塊中屯、； (8) 根據(jù)步驟(7)得到的兩期相應的磚塊中屯、Ξ維坐標，獲取變形信息。2. 如權利要求1所述的基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，其特征在于： 步驟(1)兩期掃描過程中，標祀固定不動。3. 如權利要求1所述的基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，其特征在于： 步驟(2)和步驟(3)中所述Ξ維坐標轉換方程具體如下： 設矩陣A為A坐標系下的點云Ξ維坐標，矩陣B為B坐標系下的點云Ξ維坐標，A、B兩坐標 系的Ξ維坐標轉換方程如下所示：(Δ X、Δ y和Δ Z表示坐標原點的平移量，k為尺度因子，k = 0，R為A坐標系到B坐標系的 旋轉矩陣）。4. 如權利要求1所述的基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，其特征在于： 步驟(2)所述由兩期數(shù)據(jù)配準轉換參數(shù)的計算具體如下： 坐標轉換參數(shù)Z進一步寫成，Z=[ Δχ，Ay, Δz，εχ，εy，εz，l]，用最小二乘法對坐標轉換 參數(shù)Z進行參數(shù)估計，可得坐標轉換參數(shù)Z的估值為： z=(aTq-ia廠 iaTqb 式中，Q為B坐標系下m個標祀坐標測量誤差的協(xié)方差矩陣，形式如下：5. 如權利要求1所述的基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，其特征在于： 步驟(3)所提由測站坐標系轉換至結構坐標系中主成分分析降維及坐標原點確定的具體方 法為： 設掃描點X的Ξ維坐標化=(xi，yi，zi) I i = l，2,…，n}，構造相應的協(xié)方差矩陣：其中，Μ =(馬-玄，馬-系…，義" -玄f，玄為點集的重必坐標，對矩陣C進行主成分分 析，可求得；個特征值、、^2、λ3按降序排列，得到λι >λ2 >λ3 >0，λ3所對應的特征向量V3，且 V3為法向量，V3為結構坐標系的X軸在測站坐標系下的單位向量，而結構坐標系的巧由指向與 測站坐標系一致，Υ軸垂直于確定的ΧΟΖ平面，構成右手坐標系，計算測站點坐標S(0,0,0)在 固定墻面所在平面的投影S'（Xs，ys，Zs)，將其作為結構坐標系的坐標原點，因此平移向量 (Ax，Ay，Az) = (-Xs，-ys，-Zs)，確立了平移參數(shù)及坐標軸旋轉參數(shù)后，將兩期配準后的點 云數(shù)據(jù)旋轉至結構坐標系。6. 如權利要求1所述的基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，其特征在于： 步驟(4)所提基于強度信息的K均值聚類方法分離墻面磚塊和砂漿的具體方法為： 采用聚類誤差平方和函數(shù)E作為聚類準則函數(shù)，W點強度信息作為分類屬性，其中，1J是第i類第j個樣本，ΠΗ是第i類的聚類中屯、或稱質屯、，化是第i類樣本 個數(shù)，K均值聚類算法通過反復迭代尋找k個最佳的聚類中屯、，其中k = 2,將全體η個樣本點 分配到離它最近的聚類中屯、，使得聚類誤差平方和Ε最小，過程如下： 日，隨機指定k個聚類中屯、mi(i = l，2,…，k); b，對每一個樣本xi找到離它最近的聚類中屯、，將其分配到該類； C，重新計算各簇新中屯、..，/ = !，2，~./(，扣是第1簇當前樣本數(shù)； d，計算偏差e，如果E值收斂，貝帳回mi(i = 1，2，…，k)，算法終止，否則返回b。7. 如權利要求1所述的基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，其特征在于： 步驟(5)所提利用砂漿點云，基于窗口移動法計算點云線密度變化，其具體方法如下： 設砂漿的平均寬度為已知量Lmortar，定義固定窗口長度Lfix和移動窗口長度LmDve，S者滿 足如下關系： Lmortar ^ Lwindow~l~2Lin〇ve 分別計算沿z方向和Υ方向移動窗口數(shù)目：其中[]為取整符號， 分別計算沿Ζ方向和Υ方向各個窗口內的點數(shù)目： nzi(i = l ,2,··· ,ny) ,nyi(i = l ,2,··· ,Πζ) 分別計算沿Ζ方向和Υ方向的點的線密度： Density_z = (nz(i-i)+nzi+nz(i+i))/(3Lfix) (i = 2,3, ·.., (Πζ-1)) Density_y = (n5T(i-i)+nyi+ny(i+：L))/(3Lfix) (i = 2,3,..., (ny-1)) 對于Z方向和Y方向各個窗口，計算其線密度變化率： Grad(i, l)=Density_y(i)-Density_y(i-l) Grad(i ,2)=Density_y(i+l)-Density_y(i)。8.如權利要求1所述的基于移動窗口投影點密度的建筑物變化檢測方法，其特征在于： 步驟(6)所述利用線密度變化，計算各磚塊間橫向和縱向分割線，其具體方法如下： 對于分析的Z方向或Y方向，點云線密度在垂直于該方向的砂漿接縫處明顯高于非接縫 處區(qū)域，因此，選定該方向上窗口平均密度作為闊值ntDtal為點云總 數(shù)目），當窗口內點云密度大于闊值，且滿足Grad(i，1) >0和Grad(i，2) <0時，所處固定窗 口即為砂漿接縫的范圍，通過砂漿接縫范圍內的點云計算砂漿接縫中屯、線，再通過磚塊四 周接縫中屯、線計算磚塊模型四個角點坐標，建立磚塊模型。
【文檔編號】G01B11/16GK106091972SQ201610512552
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】沈月千, 黃騰, 王偉, 沈哲輝, 高鵬, 韓易, 李成仁
【申請人】河海大學