基于三维激光扫描点云建筑结构变形分析

 摘要
三维激光扫描技术是近年快速发展起来的一项测绘新技术，相比于传统空间信息获取技术，三维激光扫描技术能够主动、非接触、全天候及高效率的获取目标高精度、高密度三维空间坐标信息。建筑结构的变形监测和检测是使用特定的测量仪器观测建筑结构在承重状态和外力作用下变形大小和方向，以保证建筑物的安全施工和运营，对保护国家和人民的生命财产安全具有重要意义。将三维激光扫描技术应用到建筑结构变形分析领域，研究其在该方面的理论知识和实际应用方法具有重要作用。
本文利用地面三维激光扫描仪获取的建筑结构海量点云数据，系统的研究海量点云数据处理与变形分析方法等关键问题，并初步探讨了利用点云数据进行建筑结构变形检测的方法，目的在于形成一套通用高效的建筑结构点云数据变形处理解决方案。本文的主要研究内容分为以下几个方面：
（1）研究海量点云数据的有效组织、管理和调度方法。论文根据散乱点云的分布特性利用均匀八叉树空间划分的方法建立点云拓扑关系，从而实现海量点云的管理，并通过实验证明文中管理方法的可行性。
（2）在点云管理基础上研究散乱点云的预处理方法，包括点云配准、降噪、精简，并提出基于点云分块的RANSAC采样配准改进方法。
（3）针对建筑结构点云数据的变形监测，对基准点云数据采用切平面投影的快速三角化方法进行三角网模型建立，利用点云与三角面片集对比分析的方法提取变形量。而为了快速计算海量点云的空间点到三角面片的最近距离，利用动态球搜索算法确定最近三角面片元素，从而提高计算效率。
（4）通过特征拟合的方法实现建筑结构检测，利用拟合圆柱和平面的几何参数进行建筑结构的倾斜度和平整度分析。
（5）基于本文研究的理论和方法，参与研发基于三维激光扫描点云的变形分析系统，实现点云管理与浏览、点云预处理、点云构网、对比分析、特征拟合等基本功能，并介绍软件系统在建筑结构变形分析中的应用，为三维激光扫描技术在变形监测检测领域进一步应用和推广打下一定的基础。

关键词：三维扫描点云；点云预处理；点云构网；对比分析；特征拟合；
目 录

摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2国内外研究现状 3
1.3本文主要研究内容 4
2建筑结构检测监测点云数据处理 6
2.1点云数据管理 7
2.1.1点云索引 7
2.1.2点云管理 10
2.1.3点云绘制 11
2.2点云数据配准 12
2.2.1粗略配准 13
2.2.2精确配准 13
2.3点云数据降噪 17
2.4点云数据精简 19
2.4.1曲率估算 19
2.4.2点云数据精简方法 21
2.5实验与分析 23
3建筑结构变形监测 25
3.1点云变形比较方法 25
3.1.1标靶标志比较法 25
3.1.2点云和点云直接比较 25
3.1.3点云所生成模型间的比较 28
3.2建筑结构点云数据的变形监测 28
3.2.1海量点云快速三角化 29
3.2.2最短距离比较法 35
4建筑结构检测 40
4.1点云数据检测分析方法 40
4.1.1点云数据平面拟合 40
4.1.2点云数据圆柱拟合 41
4.2建筑结构检测分析 43
5实验及分析 45
5.1系统概况 45
5.1.1开发环境 45
5.1.2运行环境 45
5.1.3系统主要功能 46
5.2建筑结构的变形监测实验 46
5.2.1点云数据获取 47
5.2.2点云数据预处理 48
5.2.3点云数据比较分析 50
5.3建筑结构的检测实验 54
5.3.1平整度检测分析 55
5.3.2倾斜度检测分析 57
6结论与展望 60
6.1结论 60
6.2展望 61
参考文献 62
致谢 65'
本文利用地面三维激光扫描仪所获取的建筑结构的海量点云数据，在理解国内外激光点云数据处理的相关技术手段和发展趋势的基础上，提出一套比较完整的建筑结构地面三维激光扫描点云数据处理方法，并探讨了利用点云数据进行建筑结构变形分析的方法，目的在于形成通用高效的点云数据处理分析解决方案，对建筑物结构进行安全监控、评价以确保建筑物安全施工和运营。
本文主要研究以下内容：
（1）主要介绍三维激光扫描技术的发展背景、技术特点以及在国内外发展状况，并列举国内外三维激光扫描技术在变形监测中的相关应用和处理方法，在此基础上提出了本文的研究内容。
（2）根据三维激光扫描仪采集的点云数据类型及特点，研究散乱海量点云数据的管理机制和处理方法。通过八叉树空间划分的方法来对海量点云建立索引，从而实现海量点云的调度和处理。并研究了针对建筑结构的海量点云数据的快速处理方法，其中包括点云配准、点云降噪、点云精简。
（3）分析目前常见的基于点云数据变形比较方法，针对建筑结构的三维扫描点云数据，提出整体变形监测的方法。对基准点云数据采用切平面投影的快速三角化方法进行三角网模型建立，将点云与点云数据的对比转换为点云与三角面片集的对比，利用投影计算点到对应三角面片的最短距离从而获取变形值，并在最短距离比较的过程中通过动态球搜索算法提高计算效率。
（4）通过对点云数据进行拟合获取目标物体的几何特征，通过拟合圆柱或平面的方程系数来实现建筑结构的平整度、倾斜度分析，实现对建筑结构的变形检测。
（5）参与研制基于三维激光扫描数据的变形分析系统，介绍软件系统的基本功能并利用该系统对基于地面三维激光扫描仪采集到的多期国软体育馆点云数据和南京总统府点云数据进行变形分析。