CN112699436A - 基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法及装置，方法包括：确定扫描站点与待扫扫描对象的位置关系；根据位置关系确定多个扫描站点及扫描路线，并在多个扫描站点分别放置三维扫描仪；根据扫描要求对三维扫描仪进行参数设定，并对待扫描对象进行扫描，获取待扫描对象的点云数据；将点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型；获取待扫描对象的设计模型，将设计模型进行格式转换后导入Geomagic软件；将设计模型与扫描模型进行对比分析，生成待扫描对象的对比分析结果。该方法可以快速高效建立待扫描对象的三维数字模型，便于分析施工误差，提升工程质量和管理效率。

Description

基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法

技术领域

本发明涉及测绘工程技术领域，特别涉及一种基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法及装置。

背景技术

三维激光扫描技术LiDAR(Light Detection and Ranging)可以快速、连续、自动的获取目标物体表面三维点云数据，根据获得的点云数据可以快速地构建高精度的三维模型。三维激光扫描技术一体化整合了多种传统的测绘技术，并且无需对目标表面进行任何处理即可十分高效迅速地获取目标物体表面的三维点云数据。

三维激光扫描技术凭借快速、精准、非接触等优势，被广泛地应用地形测量、建筑变形监测、古建筑测量、文物保护等领域，引起了测绘领域的广泛关注，被应用于多项重点工程中。大型建筑结构尤其是玻璃幕墙结构体量大、高度较高，如果采用传统测量方法会有测量效率低、数据处理难度大等问题，而三维激光扫描技术可以很好地解决这个问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法，该方法可以快速高效建立待扫描对象的三维数字模型，便于分析施工误差，提升工程质量和管理效率。

本发明的另一个目的在于提出一种基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法，包括：

根据待扫描对象的外形及高度确定扫描站点与所述待扫扫描对象的位置关系；

根据所述位置关系确定多个扫描站点及扫描路线，并在所述多个扫描站点分别放置三维扫描仪；

根据扫描要求对所述三维扫描仪的参数进行设定，通过所述三维扫描仪对所述待扫描对象进行扫描，获取所述待扫描对象的点云数据；

将所述点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型；

获取所述待扫描对象的设计模型，将所述设计模型进行格式转换后导入Geomagic软件；

将所述设计模型与所述扫描模型进行对比分析，生成所述待扫描对象的对比分析结果。

本发明实施例的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法，利用激光扫描、逆向工程技术对大型玻璃幕墙结构进行逆向建模，建立的模型可以与设计模型进行对比和数据分析，生成对比分析检测报告，发现施工与设计的问题和误差，及时修改，实现工程的精细化高效管理。

另外，根据本发明上述实施例的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个扫描站点的扫描范围存在重合，扫描站点与扫描站点之间重合部分比例大于20％。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：

在两个扫描站点的扫描重合部分设置标靶，所述标靶和所述三维扫描仪间的距离大于50米，两个扫描站点之间的公共标靶数量大于四个，所述标靶随机排列。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述将所述点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型，包括：

通过对齐模块对所述点云数据进行拼接配准；

对所述点云数据进行去噪，将与所述待扫描对象无关的点云数据删除，对剩余点云数据进行封装。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将处理后的点云数据封装为扫描模型之后，还包括：对所述扫描模型进行漏洞填补和多边形修复。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将所述设计模型与所述扫描模型进行对比分析时，通过Geomagic将所述设计模型与所述扫描模型调整至相同位置和比例大小，根据所述待扫描对象的突出特征进行标定定位，将所述扫描模型和所述设计模型进行对比，得到对比分析结果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述将所述设计模型与所述扫描模型进行对比分析采用的监测方法包括但不限于关键点分析法或全局分析法。

进一步地，在本发明的一个实施例中，扫描站点所扫描的所述待扫描对象部分与扫描站点的夹角范围小于等于90度，所述扫描站点与所述待扫描对象的距离小于等于1000米。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对比分析结果包括但不限于主体结构尺寸和筑玻璃幕墙安装精度。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置，包括：

预处理模块，用于根据待扫描对象的外形及高度确定扫描站点与所述待扫扫描对象的位置关系；

配置模块，用于根据所述位置关系确定多个扫描站点及扫描路线，并在所述多个扫描站点分别放置三维扫描仪；

扫描模块，用于根据扫描要求对所述三维扫描仪的参数进行设定，通过所述三维扫描仪对所述待扫描对象进行扫描，获取所述待扫描对象的点云数据；

处理模块，用于将所述点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型；

导入模块，用于获取所述待扫描对象的设计模型，将所述设计模型进行格式转换后导入Geomagic软件；

分析模块，用于将所述设计模型与所述扫描模型进行对比分析，生成所述待扫描对象的对比分析结果。

本发明实施例的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置，利用激光扫描、逆向工程技术对大型玻璃幕墙结构进行逆向建模，建立的模型可以与设计模型进行对比和数据分析，生成对比分析检测报告，发现施工与设计的问题和误差，及时修改，实现工程的精细化高效管理。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法流程图；

图2为根据本发明一个实施例的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法及装置。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法。

图1为根据本发明一个实施例的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法流程图。

如图1所示，该基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法包括以下步骤：

在步骤S1，根据待扫描对象的外形及高度确定扫描站点与待扫扫描对象的位置关系。

需要说明的是，在本发明的实施例中，待扫描对象以大型玻璃幕墙为例进行介绍。

具体地，在进行扫描之前，首先对进行三维扫描的大型玻璃幕墙结构及其周边环境进行考察，根据建筑的外形及高度确定扫描站点与建筑的合适距离。扫描站点的选取应尽量保证所扫描建筑部分与扫描站点的夹角范围在90度以内，距离在一千米以内。

在步骤S2，根据位置关系确定多个扫描站点及扫描路线，并在多个扫描站点分别放置三维扫描仪。

现场考察之后选取合适的扫描站点位置和扫描路线，扫描站点位置地势平坦稳定，并且不影响车辆人员通行，测站与建筑之间无遮挡，扫描站点与扫描站点之间应有扫描重合部分，扫描站点与扫描站点之间重合部分比例应大于20％，重合部分越大越有利于后期点云拼接，并可以在两测站重叠部分设置标靶提高拼接精度，标靶和三维扫描仪距离在50米以上，两个扫描站点之间的公共标靶数量大于四个，标靶应随机排列，避免线性排列，扫描路线应闭合以方便后期建模和减少误差。

在步骤S3，根据扫描要求对三维扫描仪的参数进行设定，通过三维扫描仪对待扫描对象进行扫描，获取待扫描对象的点云数据。

在选定的扫描站点位置架设好三维扫描仪后，根据扫描要求设置相应的扫描参数，扫描参数包括扫描分辨率等，保证布置的标靶能够被正确地识别。

扫描所用的扫描仪应具有长距离扫描模式，以满足大型玻璃幕墙结构用大场景、长距离的扫描任务需求。且具有超高的扫描速率，速度达到500,000点/秒以上，从而减少外业时间，节省成本，扫描所用扫描仪应具有优异的扫描精度，测距精度在2mm+20ppm以内，测角精度在15"以内，确保成果精准可靠。

在步骤S4，将点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型。

将点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型，包括：

通过对齐模块对点云数据进行拼接配准；

对点云数据进行去噪，将与待扫描对象无关的点云数据删除，对剩余点云数据进行封装。

具体地，通过各个扫描站点的三维扫描仪扫描得到点云数据，将各个扫描站点的点云数据导入Geomagic软件，并通过软件中的对齐模块将各测站的点云数据进行拼接配准。并且对点云数据进行去噪，并将扫描程中扫描到的与扫描目标无关的点云数据删除，然后对点云数据进行封装。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将处理后的点云数据封装为扫描模型之后，还包括：对扫描模型进行漏洞填补和多边形修复。

由于玻璃反射激光能力弱，存在部分玻璃面扫描效果不佳的情况，因此需要根据玻璃幕墙的边框边界对玻璃幕墙进行人工修补，通过玻璃幕墙的边框边界对幕墙安装进行定位。点云数据会受到反射材料和结构相互遮挡得影响，因此还需人工对漏洞进行填补以及模型多边形修复。

在步骤S5，获取待扫描对象的设计模型，将设计模型进行格式转换后导入Geomagic软件。

在步骤S6，将设计模型与扫描模型进行对比分析，生成待扫描对象的对比分析结果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将设计模型与扫描模型进行对比分析采用的监测方法包括但不限于关键点分析法或全局分析法。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对比分析结果包括但不限于主体结构尺寸和筑玻璃幕墙安装精度。

将设计模型导出为ptx格式，然后导入Geomagic Control软件，将扫描模型和设计模型调整至相同的位置和比例大小，与扫描模型进行对比分析。采用Geomagic Control软件需要将扫描模型和设计模型调整至相同的比例大小，根据大型玻璃幕墙结构表面关键突出特征进行标定定位，将扫描模型和设计模型进行位置放置进行对比，从而得到两者准确的对比分析。

可利用Geomagic Control软件自动生成模型对比检测报告，对比检测报告包括但不限于主体结构尺寸、建筑玻璃幕墙安装精度等分析结构报告。对比检测报告采用的检测方法包括但不限于基于大型玻璃幕墙结构关键控制点的关键点分析法和基于大型玻璃幕墙结构整体点误差的全局分析法。

下面通过一个具体实施例对本发明的分析方法进行描述。

将基于三维激光扫描建模的大型玻璃幕墙结构逆向工程技术应用在某大型体育馆项目。在施工过程中使用徕卡ScanStation P50长测程三维激光扫描仪对大型体育馆外表面进行扫描，该三维激光扫描仪具备两种长距离扫描模式，可以满足大场景、长距离扫描任务需求，视场角高达360°×290°，超大视野扫描能提供完整的现场数据，无需重复扫描。扫描速率高达1,000,000点/秒，且具有优异的扫描精度，测距精度1.2mm+10ppm(270m模式)/3mm+10ppm(>1km模式)，测角精度8"，确保成果精准可靠。在场馆外一共布设了8个测站，形成一个闭合的扫描路线。获取点云数据后，使用Geomagic点云数据处理软件对点云数据进行处理，导入测站数据后，通过“手动注册”对点云数据进行拼接，拼接时特征点一般选用地面的静止吊车、货物等。接着进行去噪、封装、补洞等操作，最终形成了体育馆玻璃幕墙结构三维模型。最后将设计模型将设计模型导出为ptx格式，然后导入到Geomagic Control进行对比分析，生成玻璃幕墙结构误差对比分析报告。误差对比分析报告含有两个模型的3D比较结果，具体含有最大上偏差、最大下偏差、平均偏差、标准偏差、偏差分布等数据。

根据本发明实施例提出的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法，利用激光扫描、逆向工程技术对大型玻璃幕墙结构进行逆向建模，建立的模型可以与设计模型进行对比和数据分析，生成对比分析检测报告，发现施工与设计的问题和误差，及时修改，实现工程的精细化高效管理。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置。

图2为根据发明一个实施例的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置结构示意图。

如图2所示，该基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置包括：预处理模块201、配置模块202、扫描模块203、处理模块204、导入模块205和分析模块206。

预处理模块201，用于根据待扫描对象的外形及高度确定扫描站点与待扫扫描对象的位置关系。

配置模块202，用于根据位置关系确定多个扫描站点及扫描路线，并在多个扫描站点分别放置三维扫描仪。

扫描模块203，用于根据扫描要求对三维扫描仪的参数进行设定，通过三维扫描仪对待扫描对象进行扫描，获取待扫描对象的点云数据。

处理模块204，用于将点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型。

导入模块205，用于获取待扫描对象的设计模型，将设计模型进行格式转换后导入Geomagic软件。

分析模块206，用于将设计模型与扫描模型进行对比分析，生成待扫描对象的对比分析结果。

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置，利用激光扫描、逆向工程技术对大型玻璃幕墙结构进行逆向建模，建立的模型可以与设计模型进行对比和数据分析，生成对比分析检测报告，发现施工与设计的问题和误差，及时修改，实现工程的精细化高效管理。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据待扫描对象的外形及高度确定扫描站点与所述待扫扫描对象的位置关系；

根据所述位置关系确定多个扫描站点及扫描路线，并在所述多个扫描站点分别放置三维扫描仪；

根据扫描要求对所述三维扫描仪的参数进行设定，通过所述三维扫描仪对所述待扫描对象进行扫描，获取所述待扫描对象的点云数据；

将所述点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型；

获取所述待扫描对象的设计模型，将所述设计模型进行格式转换后导入Geomagic软件；

将所述设计模型与所述扫描模型进行对比分析，生成所述待扫描对象的对比分析结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个扫描站点的扫描范围存在重合，扫描站点与扫描站点之间重合部分比例大于20％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

在两个扫描站点的扫描重合部分设置标靶，所述标靶和所述三维扫描仪间的距离大于50米，两个扫描站点之间的公共标靶数量大于四个，所述标靶随机排列。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型，包括：

通过对齐模块对所述点云数据进行拼接配准；

对所述点云数据进行去噪，将与所述待扫描对象无关的点云数据删除，对剩余点云数据进行封装。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将处理后的点云数据封装为扫描模型之后，还包括：对所述扫描模型进行漏洞填补和多边形修复。

6.根据权利要求1所述的方法，将所述设计模型与所述扫描模型进行对比分析时，通过Geomagic将所述设计模型与所述扫描模型调整至相同位置和比例大小，根据所述待扫描对象的突出特征进行标定定位，将所述扫描模型和所述设计模型进行对比，得到对比分析结果。

7.根据权利要求1所述的方法，所述将所述设计模型与所述扫描模型进行对比分析采用的监测方法包括但不限于关键点分析法或全局分析法。

8.根据权利要求1所述的方法，扫描站点所扫描的所述待扫描对象部分与扫描站点的夹角范围小于等于90度，所述扫描站点与所述待扫描对象的距离小于等于1000米。

9.根据权利要求1所述的方法，所述对比分析结果包括但不限于主体结构尺寸和筑玻璃幕墙安装精度。

10.一种基于三维激光扫描建模的建筑结构逆向工程分析装置，其特征在于，包括：

预处理模块，用于根据待扫描对象的外形及高度确定扫描站点与所述待扫扫描对象的位置关系；

配置模块，用于根据所述位置关系确定多个扫描站点及扫描路线，并在所述多个扫描站点分别放置三维扫描仪；

扫描模块，用于根据扫描要求对所述三维扫描仪的参数进行设定，通过所述三维扫描仪对所述待扫描对象进行扫描，获取所述待扫描对象的点云数据；

处理模块，用于将所述点云数据导入Geomagic软件进行处理，将处理后的点云数据封装为扫描模型；

导入模块，用于获取所述待扫描对象的设计模型，将所述设计模型进行格式转换后导入Geomagic软件；

分析模块，用于将所述设计模型与所述扫描模型进行对比分析，生成所述待扫描对象的对比分析结果。

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