一種基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于國(guó)內(nèi)與國(guó)外地質(zhì)條件、地下設(shè)施、地鐵運(yùn)輸狀況和需求，以及規(guī)范要求等多方面的差異，致使三維激光掃描技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，需要配合大量自主研發(fā)、適合中國(guó)國(guó)情和應(yīng)用需求的軟件和配套硬件，才可能發(fā)揮出該技術(shù)應(yīng)有的科技水平和作用。傳統(tǒng)的檢測(cè)手段主要有全站儀、GPSRTK技術(shù)等。全站儀定位坐標(biāo)時(shí)，受到天氣、交通等很多因素的影響，限制較多，另外，它的測(cè)量距離短，需要頻繁更換測(cè)點(diǎn)，而且全站儀測(cè)要求站點(diǎn)與被測(cè)的目標(biāo)物點(diǎn)之間通視，至少要兩個(gè)協(xié)同作業(yè)才能完成測(cè)量。當(dāng)前，把橋梁實(shí)際模型還原成3D模型的的技術(shù)尚未有成熟的商業(yè)化運(yùn)用。CATIA，Pro/E等CAD、CAE軟件雖然可以對(duì)檢測(cè)獲取的點(diǎn)云逆向建模，但是需要對(duì)特征點(diǎn)和特征線進(jìn)行人工提取來(lái)生成模型，耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間；因此，我們需要一個(gè)自動(dòng)化的模型重建技術(shù)，從而能夠及時(shí)的構(gòu)建橋梁的實(shí)際模型以及預(yù)測(cè)模型，來(lái)避免各種安全隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，本發(fā)明提供一種基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)，包括測(cè)量數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理模塊模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和智能預(yù)測(cè)模塊；所述測(cè)量數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理模塊對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行三維激光掃描產(chǎn)生點(diǎn)云數(shù)據(jù)并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理；數(shù)據(jù)分析模塊包括三維模型重建子模塊和有限元模型建立及修正子模塊，對(duì)三維激光掃描的結(jié)果進(jìn)行3D模型重建；智能預(yù)測(cè)模塊對(duì)橋梁模型未來(lái)各個(gè)時(shí)段的變形情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
[0005]優(yōu)選的，所述測(cè)量數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理模塊包括多傳感器測(cè)量子模塊、控制和數(shù)據(jù)采集子模塊和數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊；所述多傳感器測(cè)量子模塊包括激光掃描儀并輔以1-2臺(tái)工業(yè)相機(jī)；所述控制和數(shù)據(jù)采集子模塊包括控制臺(tái)，來(lái)自多傳感器測(cè)量子模塊的原始數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)并備份帶控制臺(tái)的磁盤(pán)矩陣中；所述數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊從磁盤(pán)矩陣中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)深度圖像配準(zhǔn)、平滑散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。
[0006]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)分析模塊的三維模型重建三維模型重建子模塊，運(yùn)用NURBS曲面算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊進(jìn)行曲面擬合，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算，得到試驗(yàn)條件下曲面模型中各參數(shù)的取值；然后，將分割的片面子集拼接，輸出點(diǎn)云、三維模型和參數(shù)文件。
[0007]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述有限元模型建立及修正子模塊，將設(shè)計(jì)模型或者其他初始模型進(jìn)行三維重建，結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行有限元分析，得到材料的變形和裂縫結(jié)果；將三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)與有限元模型進(jìn)行比對(duì)，從而修正有限元模型。
[0008]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述智能預(yù)測(cè)模塊利用修正后的有限元模型，結(jié)合其他測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合分析以及預(yù)測(cè)該建筑物的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，最后在顯示器中顯示三維模型圖像和未來(lái)各個(gè)時(shí)段的評(píng)估報(bào)告以及解決方案。
[0009]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述智能預(yù)測(cè)模塊根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)建立FEM模型，分析結(jié)構(gòu)變形情況，將FEM模型變形結(jié)果與3D模型進(jìn)行比較，得出數(shù)值比較結(jié)果，以曲線或者云圖的方式顯不O
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述智能預(yù)測(cè)模塊采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和回歸分析方法，以顯式的響應(yīng)面模型逼近特征量與設(shè)計(jì)參數(shù)間的隱式函數(shù)關(guān)系，得到簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)模型，給出有限元模型修正過(guò)程，用數(shù)值模擬算例和3D模型結(jié)果，實(shí)現(xiàn)基于響應(yīng)面模型的結(jié)構(gòu)有限元模型修正。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
1.本發(fā)明所提供的基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)，采用一體化設(shè)計(jì)，集數(shù)據(jù)采集、軟件分析以及預(yù)測(cè)評(píng)估于一體的全自動(dòng)高智能三維激光掃描設(shè)備，彩色觸摸顯示屏，更易操作，實(shí)時(shí)獲得多個(gè)時(shí)段的預(yù)測(cè)評(píng)估以及合理方案。
[0012]2.本發(fā)明所提供的基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)，具有良好的兼容性，可直接導(dǎo)出wrl、dxf、ptx、pts、ptc、xyz、xyb、igs、pod等50多種格式的數(shù)據(jù)，方便與多種行業(yè)軟件讀取數(shù)據(jù)。本發(fā)明還具有Web共享功能，可將掃描圖像直接上傳至互聯(lián)網(wǎng)，從而在無(wú)需其他輔助軟件的情況下，確?？蛻?、供應(yīng)商和合作伙伴高效共享掃描信息。
[0013]3.本發(fā)明所提供的基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)，人工成本優(yōu)勢(shì)高于傳統(tǒng)技術(shù)5倍以上，而時(shí)間成本卻只有傳統(tǒng)技術(shù)的1/10，由于其技術(shù)數(shù)據(jù)的全面性，綜合價(jià)值更是在10倍以上。
【附圖說(shuō)明】
[0014]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
圖1為本發(fā)明所述的基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；
圖2為本發(fā)明所述的地面三維激光掃描技術(shù)原理圖；
圖3為本發(fā)明所述的三維激光掃描點(diǎn)云三維重建的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]如圖1和2所示，本發(fā)明所揭示的基于三維激光掃描的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)，包括測(cè)量數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理模塊模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和智能預(yù)測(cè)模塊；所述測(cè)量數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理模塊包括多傳感器測(cè)量子模塊、控制和數(shù)據(jù)采集子模塊和數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行三維激光掃描產(chǎn)生點(diǎn)云數(shù)據(jù)并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理；數(shù)據(jù)分析模塊包括三維模型重建子模塊和有限元模型建立及修正子模塊，對(duì)三維激光掃描的結(jié)果進(jìn)行3D模型重建；智能預(yù)測(cè)模塊對(duì)橋梁模型未來(lái)各個(gè)時(shí)段的變形情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
[0016]所述測(cè)量數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理模塊，包括激光掃描儀并輔以1-2臺(tái)工業(yè)相機(jī)。所述掃描儀采用全角度(full circle)、旋轉(zhuǎn)頻率在100轉(zhuǎn)/秒以上、掃描點(diǎn)生產(chǎn)量300000點(diǎn)/秒以上的高速激光掃描設(shè)備。其他參考指標(biāo)(最低)包括:最小有效測(cè)量范圍〈I米?’最大有效測(cè)量范圍>100米；準(zhǔn)確度(Accuracy) 10毫米；精度(Precis1n)5毫米。激光掃描儀將生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于建立具體的3D模型。所述工業(yè)相機(jī)的參考指標(biāo)(最低)包括:5百萬(wàn)像素，2/3〃 CCD，曝光38微秒到60秒，視角80° (水平)65° (垂直)(5mm lens)。相機(jī)將與掃描儀完成標(biāo)定并添加顏色信息到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，相機(jī)數(shù)據(jù)將增強(qiáng)于模型的可視化并為點(diǎn)云分割提供重要依據(jù)。
[0017]所述控制和數(shù)據(jù)采集子模塊以控制臺(tái)為中心，允許測(cè)量員進(jìn)行基本的設(shè)備開(kāi)啟、關(guān)閉和監(jiān)視各部件是否正常接通和工作。設(shè)備在啟動(dòng)后會(huì)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，結(jié)果將顯示在控制臺(tái)的顯示器上。來(lái)自多傳感器測(cè)量子模塊的原始數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)并備份帶控制臺(tái)的磁盤(pán)矩陣中；
所述數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊從磁盤(pán)矩陣中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)深度圖像配準(zhǔn)、平滑散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。其目的是用少量的不含噪音的數(shù)據(jù)點(diǎn)集近似取代原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析打下基礎(chǔ)。
[0018]所述數(shù)據(jù)分析模塊的三維模型重建三維模型重建子模塊，運(yùn)用NURBS曲面算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊進(jìn)行曲面擬合，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算，得到試驗(yàn)條件下曲面模型中各參數(shù)的取值；然后，將分割的片面子集拼接，輸出點(diǎn)云、三維模型和參數(shù)文件。
[0019]所述有限元模型建立及修正子模塊，將設(shè)計(jì)模型或者其他初始模型進(jìn)行三維重建，結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行有限元分析，得到材料的變形和裂縫結(jié)果；將三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)與有限元模型進(jìn)行比對(duì)，從而修正有限元模型。
[0020]所述智能預(yù)