基于三维点云数据的桥梁空间形态及力学性能分析
发布时间：2022-01-08 08:09
如今交通量增长、车辆载重提高、桥梁老龄化等问题严重,大量处于运营阶段的桥梁病害问题突出,定期对桥梁进行检测评估尤为重要。人工观测过于依赖检测人员的主观经验,且需要借助支架、桥检车等设备接近桥梁结构,适用性不强,可达性不高;同样,以埋入式或外贴式传感器为代表的接触式检测方法也无法适用于环境恶劣、难以接近的既有桥梁;相比较而言,非接触式检测方法应用更为广泛。而常见的非接触式检测方法,如水准仪、全站仪等仅可通过单点采集来获取少量的观测点坐标信息,效率低、工作量大,且仅能反映有限点位处的信息。三维激光扫描技术却可将这种以有限控制“点”为对象的检测方法转换为以实体“区域”为对象的检测方法,全面获取桥梁表面大量点的坐标信息,形成桥梁三维点云模型,便于分析桥梁整体变形信息并推测其内部力学状态变化,且自动化程度、扫描效率均非常高。因此,在桥梁检测中使用三维激光扫描技术可有效、快速地获取桥梁整体及其局部的空间形态变化,并以此变化趋势分析其力学状态,从而实现基于非接触检测技术的桥梁服役性能评估。本研究提出一种基于三维点云数据的桥梁空间形态以及力学性能的分析方法,并使用该方法对依托工程河东大桥（大跨度连续刚...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三维目前，国际上三维激光扫描仪的制造商
采用脉冲激光测距方法，也有部分采用相位式激光测距方法。脉冲式激光扫描仪主要采用TOF（TimeofFlight）脉冲测距法，其通过由脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离S，该方法测距范围可达百米以上，但在过大的范围内扫描测距时，精度相对较低[8]。相位式激光扫描仪则是依据相位偏移技术测量距离，即对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离S，该钟激光扫描仪相比较于脉冲式激光扫描仪扫描范围较小，但精度较高，可达毫米级。图1-2三维激光扫描仪工作原理示意图脉冲式三维激光扫描仪与脉冲式三维激光扫描仪获取目标点云坐标的原理均是：根据内部精密测量系统获取发射出去的激光光束的水平方向角度α和垂直方向角度θ，再根据激光测距系统测量所得的扫描点至仪器的距离S[9]，同时激光扫描仪根据其所接收的反射激光的强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。对于激光扫描仪而言，采样点是系统局部坐标，扫描仪的内部为坐标原点，一般X轴和Y轴在局部坐标系的横向扫描面上，Y轴与X轴在横向扫描面上垂直，通常Y轴为扫描仪扫描方向，Z轴为垂向方向。
东南大学硕士学位论文6由此，可得扫描目标点P的坐标(Xs、Ys、Zs)的计算公式，见式（1.1）[10]。在拼接不同站点的点云数据时，需要根据公共点的坐标进行变换，从而统一到同一个坐标系统中。图1-3三维激光扫描仪获取的点坐标coscoscossinsinsssXSYSZS===（1.1）（3）三维激光扫描技术在桥梁领域中的应用在桥梁领域中，依据三维激光扫描技术采集得到的桥梁三维点云数据，可以实现点的获取彩色图像信息、坐标查询、提取点云几何特征、测量距离、桥梁变形监测及模型修正等操作。1）获取彩色图像信息三维激光扫描仪不仅可以记录目标物体表面被扫描点的三维坐标信息，还可以获取目标物体的彩色照片，且将照片附着于三维点云模型上，在查看点云模型的同时也可以获取目标物体的彩色图像信息。2）点坐标查询采用三维激光扫描技术获取的桥梁点云模型是由海量的三维坐标点组成，通过查询模型点云中任意点的三维坐标值，可以获取待测物任意位置的三维坐标值。3）提取点云几何特征使用CloudCompare、GeomagicDesign、Polyworks等点云处理软件，可以提取点云的几何特征。例如，通过查询桥梁中轴线上点的坐标，可获取桥梁线形。欧阳俊峰[11]利用改进后的RANSAC算法对桥底面横梁进行空间直线拟合，生成多条底面横梁空间直线，并作与桥轴线平行且垂直于桥面的平面，该平面与空间直线的交点高程即为底面横梁的高程，连接所有交点即可得出主桥的下挠曲线，可用于主梁的下挠状态分析。徐进军等错误!未找到引用源。提出了桥底面点云拟合计算方法和重心计算方法，以获取桥底挠度情
【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年交通运输行业发展统计公报[J]. 中国物流与采购. 2018(11)
[2]三维激光扫描技术在桥梁工程领域的应用与挑战[J]. 吕乐宁,姚佩林,董向前,桂晓华,张沙峤. 科技展望. 2017(23)
[3]基于地面三维激光扫描的桥梁挠度变形测量[J]. 徐进军,郭鑫伟,廖骅,张洪波. 大地测量与地球动力学. 2017(06)
[4]基于正态分布变换与迭代最近点的快速点云配准算法[J]. 杨飚,李三宝,王力. 科学技术与工程. 2017(15)
[5]中国桥梁技术的现状与展望[J]. 张喜刚,刘高,马军海,吴宏波,付佰勇,高原. 中国公路. 2017(05)
[6]三维激光扫描技术在桥梁监测中的应用[J]. 唐均. 矿山测量. 2016(04)
[7]中美公路桥梁检测及评价方法对比研究[J]. 周方,张明媛,袁永博. 中外公路. 2016(02)
[8]基于APDL的桥梁参数化建模方法[J]. 葛邵飞,谢晓尧. 山东理工大学学报(自然科学版). 2013(06)
[9]基于激光点云的桥梁变形分析方法研究[J]. 陈守辉,徐小华. 黑龙江交通科技. 2013(07)
[10]基于ICP算法的桥梁变形研究[J]. 卞晨艳,郑德华,苏磊. 水利与建筑工程学报. 2012(05)
硕士论文
[1]基于三维激光扫描技术的现役桥梁变形监测应用研究[D]. 欧阳俊峰.华南理工大学 2018
[2]基于三维激光扫描的桥梁检测技术应用研究[D]. 卢颖.吉林大学 2017
[3]基于三维激光扫描的桥面变形检测技术应用研究[D]. 王勋.重庆交通大学 2015
[4]机载激光雷达点云数据滤波方法研究[D]. 谷延超.西南交通大学 2014
[5]三维激光扫描技术在桥梁变形监测中的分析研究[D]. 姚明博.浙江工业大学 2014
[6]基于kd-tree加速的点云数据配准技术研究[D]. 邹际祥.安徽大学 2013
本文编号：3576203
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三维目前，国际上三维激光扫描仪的制造商
采用脉冲激光测距方法，也有部分采用相位式激光测距方法。脉冲式激光扫描仪主要采用TOF（TimeofFlight）脉冲测距法，其通过由脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离S，该方法测距范围可达百米以上，但在过大的范围内扫描测距时，精度相对较低[8]。相位式激光扫描仪则是依据相位偏移技术测量距离，即对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离S，该钟激光扫描仪相比较于脉冲式激光扫描仪扫描范围较小，但精度较高，可达毫米级。图1-2三维激光扫描仪工作原理示意图脉冲式三维激光扫描仪与脉冲式三维激光扫描仪获取目标点云坐标的原理均是：根据内部精密测量系统获取发射出去的激光光束的水平方向角度α和垂直方向角度θ，再根据激光测距系统测量所得的扫描点至仪器的距离S[9]，同时激光扫描仪根据其所接收的反射激光的强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。对于激光扫描仪而言，采样点是系统局部坐标，扫描仪的内部为坐标原点，一般X轴和Y轴在局部坐标系的横向扫描面上，Y轴与X轴在横向扫描面上垂直，通常Y轴为扫描仪扫描方向，Z轴为垂向方向。
东南大学硕士学位论文6由此，可得扫描目标点P的坐标(Xs、Ys、Zs)的计算公式，见式（1.1）[10]。在拼接不同站点的点云数据时，需要根据公共点的坐标进行变换，从而统一到同一个坐标系统中。图1-3三维激光扫描仪获取的点坐标coscoscossinsinsssXSYSZS===（1.1）（3）三维激光扫描技术在桥梁领域中的应用在桥梁领域中，依据三维激光扫描技术采集得到的桥梁三维点云数据，可以实现点的获取彩色图像信息、坐标查询、提取点云几何特征、测量距离、桥梁变形监测及模型修正等操作。1）获取彩色图像信息三维激光扫描仪不仅可以记录目标物体表面被扫描点的三维坐标信息，还可以获取目标物体的彩色照片，且将照片附着于三维点云模型上，在查看点云模型的同时也可以获取目标物体的彩色图像信息。2）点坐标查询采用三维激光扫描技术获取的桥梁点云模型是由海量的三维坐标点组成，通过查询模型点云中任意点的三维坐标值，可以获取待测物任意位置的三维坐标值。3）提取点云几何特征使用CloudCompare、GeomagicDesign、Polyworks等点云处理软件，可以提取点云的几何特征。例如，通过查询桥梁中轴线上点的坐标，可获取桥梁线形。欧阳俊峰[11]利用改进后的RANSAC算法对桥底面横梁进行空间直线拟合，生成多条底面横梁空间直线，并作与桥轴线平行且垂直于桥面的平面，该平面与空间直线的交点高程即为底面横梁的高程，连接所有交点即可得出主桥的下挠曲线，可用于主梁的下挠状态分析。徐进军等错误!未找到引用源。提出了桥底面点云拟合计算方法和重心计算方法，以获取桥底挠度情
【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年交通运输行业发展统计公报[J]. 中国物流与采购. 2018(11)
[2]三维激光扫描技术在桥梁工程领域的应用与挑战[J]. 吕乐宁,姚佩林,董向前,桂晓华,张沙峤. 科技展望. 2017(23)
[3]基于地面三维激光扫描的桥梁挠度变形测量[J]. 徐进军,郭鑫伟,廖骅,张洪波. 大地测量与地球动力学. 2017(06)
[4]基于正态分布变换与迭代最近点的快速点云配准算法[J]. 杨飚,李三宝,王力. 科学技术与工程. 2017(15)
[5]中国桥梁技术的现状与展望[J]. 张喜刚,刘高,马军海,吴宏波,付佰勇,高原. 中国公路. 2017(05)
[6]三维激光扫描技术在桥梁监测中的应用[J]. 唐均. 矿山测量. 2016(04)
[7]中美公路桥梁检测及评价方法对比研究[J]. 周方,张明媛,袁永博. 中外公路. 2016(02)
[8]基于APDL的桥梁参数化建模方法[J]. 葛邵飞,谢晓尧. 山东理工大学学报(自然科学版). 2013(06)
[9]基于激光点云的桥梁变形分析方法研究[J]. 陈守辉,徐小华. 黑龙江交通科技. 2013(07)
[10]基于ICP算法的桥梁变形研究[J]. 卞晨艳,郑德华,苏磊. 水利与建筑工程学报. 2012(05)
硕士论文
[1]基于三维激光扫描技术的现役桥梁变形监测应用研究[D]. 欧阳俊峰.华南理工大学 2018
[2]基于三维激光扫描的桥梁检测技术应用研究[D]. 卢颖.吉林大学 2017
[3]基于三维激光扫描的桥面变形检测技术应用研究[D]. 王勋.重庆交通大学 2015
[4]机载激光雷达点云数据滤波方法研究[D]. 谷延超.西南交通大学 2014
[5]三维激光扫描技术在桥梁变形监测中的分析研究[D]. 姚明博.浙江工业大学 2014
[6]基于kd-tree加速的点云数据配准技术研究[D]. 邹际祥.安徽大学 2013
本文编号：3576203
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