曲线管状围护结构的逆向建模方法与流程

本发明属于管状围护结构逆向建模领域，具体涉及一种曲线管状围护结构的逆向建模方法。

背景技术：

目前，钢结构建筑物围护结构具有：空间工作，传力途径简捷，对大跨度结构比较合适；结构重量轻，经济指标好；空间刚度大，结构自重小，抗震性能好；施工安装简便平面布置灵活等优点。在建筑行业中，大多情况是利用传统的全站仪对圆管等空间结构进行有限特征点的数据采集，具体做法为：首先利用弹线在曲线圆管下边缘中心线弹出一根线段，然后再等距(综合情况考虑，一般为1m～2m间隔)贴上反光片，反光片中心恰好在线段上；接下来利用全站仪在保证与施工坐标处于同一坐标系下进行反光片的数据采集。但是目前利用传统的全站仪对圆管等空间结构进行二维的逆向生成的方法存在以下的不足：用弹线在曲线圆管下部弹出的线段操作难度较高，且不能很好地保证为精确度较高的线段；另外，利用全站仪1m～2m间隔的反光片所采集到的点拟合成的曲线难以确保精度。

技术实现要素：

本发明提供一种曲线管状围护结构的逆向建模方法，以解决目前曲线圆管建模方式复杂且精度较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种曲线管状围护结构的逆向建模方法，包括：

获得曲线管状围护结构中曲线圆管的点云，该曲线圆管的点云包括多组位于不同圆环上的扫描点，每个扫描点都用于表示与该曲线圆管表面吻合的对应圆环上对应位置处的三维坐标；

将该曲线圆管投影至三维坐标系中x-y平面上，拟合形成一条线段，确定该线段与x轴正方向的第一夹角；将该曲线圆管绕z轴顺时针旋转该第一夹角，使其与x-z平面平行；

沿着x轴方向每隔预设距离，利用一个垂直于x-y平面的切割面，将平行于x-z平面的曲线圆管划分为多个管段；

针对每个管段，确定该管段与z轴正方向的第二夹角，将该管段绕y轴逆时针旋转该第二夹角；将该管段上的点云投影到x-y平面上，根据投影到x-y平面上的点云，确定该管段的上端面和下端面的圆心在x-y平面上的投影点，分别以确定的两个投影点为原点做垂直于x-y平面的垂直线，将对应垂直线与上端面的交点确定为该上端面的圆心，将对应垂直线与下端面的交点确定为该下端面的圆心；将确定的该上端面和下端面的圆心的连线的中点作为该管段的控制点，将该管段的控制点绕y轴顺时针旋转该第二夹角，获得该管段的控制点姿态；

将各个管段的控制点姿态相连形成圆管中心线，将该圆管中心线绕z轴逆时针旋转该第一夹角，从而获得该曲线圆管的圆管中心线空间姿态；

基于所述圆管中心线空间姿态对该曲线圆管进行三维建模。

在一种可选的实现方式中，在沿着x轴方向每隔预设距离，利用一个垂直于x-y平面的切割面，将平行于x-z平面的曲线圆管划分为多个管段之前，所述方法还包括：

将该曲线圆管绕y轴顺时针旋转第三夹角，直至其左端与右端的连线平行于x-y平面。

在另一种可选的实现方式中，在将各个管段的控制点姿态相连形成圆管中心线之后，所述方法还包括：

将该圆管中心线绕y轴逆时针旋转该第三夹角。

在另一种可选的实现方式中，所述沿着x轴方向每隔预设距离，利用一个垂直于x-y平面的切割面，将平行于x-z平面的曲线圆管划分为多个管段包括：

将该曲线圆管预先划分为多个子曲线圆管；

针对每个子曲线圆管，将该子曲线圆管绕y轴顺时针旋转对应第四夹角，直至其左端与右端的连线平行于x-y平面；沿着x轴方向每隔预设距离，利用一个垂直于x-y平面的切割面，将平行于x-z平面的子曲线圆管划分为多个管段。

在另一种可选的实现方式中，将各个管段的控制点姿态相连形成圆管中心线相连包括：

针对每个子曲线圆管，将该子曲线圆管的各个管段的控制点姿态相连形成该子曲线圆管的管段中心线；将该管段中心线绕y轴逆时针旋转对应第四夹角，获得该子曲线圆管的圆管子中心线；将各个子曲线圆管的圆管子中心线相连形成圆管中心线。

在另一种可选的实现方式中，所述方法还包括：

针对每个管段，在将该管段上点云投影到x-y平面上之后，还根据投影到x-y平面上的点云，确定该管段的上端面和下端面的半径；

基于所述圆管中心线空间姿态对该曲线圆管进行三维建模包括：

求取确定的各个管段的上端面和下端面的半径的平均值；

基于所述圆管中心线空间姿态和所述半径的平均值，对该曲线圆管进行三维建模。

在另一种可选的实现方式中，根据投影到x-y平面上的点云，确定该管段的上端面和下端面的圆心在x-y平面上的投影点包括：

判断该第二夹角是否大于90度，若是，则将投影至x-y平面上由左侧弧段拟合形成的圆所对应的圆心，作为该管段的上端面的圆心在x-y平面上的投影点，将投影至x-y平面上由右侧弧段拟合形成的圆所对应的圆心，作为该管段的下端面的圆心在x-y平面上的投影点；

否则，将投影至x-y平面上由右侧弧段拟合形成的圆所对应的圆心，作为该管段的上端面的圆心在x-y平面上的投影点，将投影至x-y平面上由左侧弧段拟合形成的圆所对应的圆心，作为该管段的下端面的圆心在x-y平面上的投影点。

在另一种可选的实现方式中，获得曲线管状围护结构中曲线圆管的点云包括：

采集曲线管状围护结构的点云；

对采集到的点云进行处理，获得该曲线管状围护结构中曲线圆管的点云。

在另一种可选的实现方式中，对采集到的点云进行处理包括：

删除该曲线管状围护结构中曲线圆管外的其他点云；

对曲线圆管的点云进行降噪处理。

在另一种可选的实现方式中，采集曲线管状围护结构的点云包括：

将现场基准点的坐标输入全站扫描仪中，以使所述全站扫描仪采集到的点云所在的三维坐标系与施工方的三维坐标系统一；

利用所述全站扫描仪采集曲线管状围护结构的点云。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采集曲线圆管的点云，基于曲线圆管的点云进行建模，不必借助于弹线和反光片，因而操作比较简单且效率较高；通过对曲线圆管的点云进行平面坐标转化，可以获得曲线圆管的圆管中心线空间姿态，基于该圆管中心线空间姿态进行建模，建模方法简单且精度较高，并且可以实现曲线圆管的三维建模。

2、本发明针对左右两端连线不与x-y平面平行的曲线圆管，对曲线圆管进行调平，将曲线圆管绕y轴顺时针旋转第三夹角，使其左右两端连线与x-y平面平行，可以减小切割获得的管段的长度，并且对应地在将各个管段的控制点姿态相连后，将相连形成的圆管中心线绕y轴逆时针旋转第三夹角，可以保证建模精度。

3、本发明针对曲率较大的曲线圆管，将曲线圆管预先划分为多个子曲线圆管，对每个子曲线圆管进行调平，将其旋转至左右两端连线平行于x-y平面，由此可以减小每个子曲线圆管切割获得的管段的长度，进一步保证建模精度。

4、本发明通过确定各个管段的上端面和下端面的半径，求取各个半径的平均值，基于圆管中心线空间姿态和半径平均值对圆形管道进行三维建模，可以进一步保证建模精度。

5、本发明通过在采集到包括曲线圆管的围护结构的点云后，删除其中除曲线圆管外的其他点云，获得曲线圆管的点云，再对曲线圆管的点云进行降噪处理，可以保证建模基础数据的准确度。

6、本发明通过将采集到的点云置换到与施工方的三维坐标系中，便于进行建模处理，使曲线圆管投影至x-y平面上时可以拟合形成一条线段。

附图说明

图1是本发明曲线管状围护结构的逆向建模方法的一个实施例流程图；

图2是本发明平行于x-z平面时曲线圆管的两种不同状态；

图3是本发明曲线管状钢制围护结构中单根曲线圆管的局部点云图；

图4是本发明曲线管状钢制围护结构中单根曲线圆管在rhino生成的三维实体图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明曲线管状围护结构的逆向建模方法的一个实施例流程图。该曲线管状围护结构的逆向建模方法可以采用应用程序，在处理装置(例如计算机)上实现，其可以包括以下步骤：

s101、获得曲线管状围护结构中曲线圆管的点云，该曲线圆管的点云包括多组位于不同圆环上的扫描点，每个扫描点都用于表示与该曲线圆管表面吻合的对应圆环上对应位置处的三维坐标。

本实施例中，为了获得曲线圆管的点云，可以首先采集曲线管状围护结构的点云；然后对采集到的点云进行处理，获得该曲线管状围护结构中曲线圆管的点云。由于围护结构在建成后，其曲线圆管很可能受到其他遮挡物的遮挡，直接利用全站扫描仪对该曲线圆管进行扫描，很难得到曲线圆管完整的点云，即利用全站扫描仪扫描到的曲线圆管的点云包括的多组扫描点，可能出现缺失，在对应圆环上该组扫描点不足以形成一个完整的圆环，而只能形成一个弧段(在步骤s104中投影到x-y平面上的点云，只会形成弧段，而不会形成完整圆环)，为此本发明基于采集到的曲线圆管的点云，采用步骤s102至步骤s106所述方法，对曲线圆管的点云进行平面变换，从而对曲线圆管进行逆向建模。其中，本步骤在采集曲线管状围护结构的点云时，为了尽可能采集到完整的点云，针对围护结构中有遮挡物的区域，将全站扫描仪设置在该区域的外部，针对围护结构中无遮挡物的区域，将全站扫描仪设置在该区域的内部。此外，为了进一步保证采集到完整的点云，还可以采用多视角进行点云采集，例如可设2-3站，采用全站扫描仪对围护结构进行数据采集。

在采集曲线管状围护结构的点云时，首先将现场基准点的坐标输入全站扫描仪中，以使所述全站扫描仪采集到的点云所在的三维坐标系与施工方的三维坐标系统一；然后利用所述全站扫描仪采集曲线管状围护结构的点云。目前在向全站扫描仪输入现场基准点的坐标后，全站扫描仪会将其采集到的点云与现场基准点进行匹配，然后利用两个现场基准点进行后方交会，使采集到的点云转换到与施工方的三维坐标系中。由于该过程是现有技术，因而在此不再予以赘述。由于采集到的点云与施工方的三维坐标系统一，因此将采集到的点云导入geomagiccontrol时为已经自动拼接好的完整的围护结构点云，此后将采集到的点云置于施工方的三维坐标系下，可以保证步骤s102在将曲线圆管投影至x-y平面上时可拟合形成一条线段。另外，本步骤在对采集到的点云进行处理时，可以删除该曲线管状围护结构中曲线圆管外的其他点云(包括将现场与围护结构无光的点云删除以及将连接曲线圆管的斜撑删除)；以及对曲线圆管的点云进行降噪处理。

步骤s102、将该曲线圆管投影至三维坐标系中x-y平面上，拟合形成一条线段，确定该线段与x轴正方向的第一夹角；将该曲线圆管绕z轴顺时针旋转该第一夹角，使其与x-z平面平行(或者位于x-z平面上)。本实施例中，三维坐标系中z轴正方向可以竖直向上，x轴正方向可以横向向右，y轴正方向可以垂直于x-z平面向前。

步骤s103、沿着x轴方向每隔预设距离，利用一个垂直于x-y平面的切割面，将平行于x-z平面的曲线圆管划分为多个管段。本实施例中，可以从该曲线圆管的左端在对应x轴上对应位置开始，沿着x轴方向每隔预设距离，利用一个垂直于x-y平面的切割面，将平行于x-z平面的曲线圆管划分为多个管段。

步骤s104、针对每个管段，确定该管段(例如其左端与右端的连线，或者根据管段的点云拟合出的线段)与z轴正方向的第二夹角，将该管段绕y轴逆时针旋转该第二夹角；将该管段上的点云投影到x-y平面上，根据投影到x-y平面上的点云，确定该管段的上端面和下端面的圆心在x-y平面上的投影点，分别以确定的两个投影点为原点做垂直于x-y平面的垂直线，将对应垂直线与上端面的交点确定为该上端面的圆心，将对应垂直线与下端面的交点确定为该下端面的圆心；将确定的该上端面和下端面的圆心的连线的中点作为该管段的控制点，将该管段的控制点绕y轴顺时针旋转该第二夹角，获得该管段的控制点姿态。

本实施例中，根据投影到x-y平面上的点云，确定该管段的上端面和下端面的圆心在x-y平面上的投影点包括：判断该第二夹角是否大于90度，若是，则表示管段向左倾斜，其上端面点云投影到x-y平面上的弧段位于左侧，下端面点云投影到x-y平面上的弧段位于右侧，因而将投影至x-y平面上由左侧弧段拟合形成的圆所对应的圆心，作为该管段的上端面的圆心在x-y平面上的投影点，将投影至x-y平面上由右侧弧段拟合形成的圆所对应的圆心，作为该管段的下端面的圆心在x-y平面上的投影点；否则，表示管段向右倾斜，其上端面点云投影到x-y平面上的弧段位于右侧，下端面点云投影到x-y平面上的弧段位于左侧，将投影至x-y平面上由右侧弧段拟合形成的圆所对应的圆心，作为该管段的上端面的圆心在x-y平面上的投影点，将投影至x-y平面上由左侧弧段拟合形成的圆所对应的圆心，作为该管段的下端面的圆心在x-y平面上的投影点。

步骤s105、将各个管段的控制点姿态相连形成圆管中心线，将该圆管中心线绕z轴逆时针旋转该第一夹角，从而获得该曲线圆管的圆管中心线空间姿态。

本实施例中，当曲线圆管旋转至与x-z平面平行时，三维坐标系中曲线圆管的左右两端的连线可能不与x-y平面平行，如图2左侧曲线所示，结合图2右侧左右两端连线与x-y平面平行的曲线圆管，当沿着x轴方向相隔相等距离进行切割时，显然左侧曲线切割后获得的管段更长，管段越长，对应的建模精度越低。为此，本发明在步骤s103中沿着x轴方向每隔预设距离，利用一个垂直于x-y平面的切割面，将平行于x-z平面的曲线圆管划分为多个管段之前，所述方法还包括：将该曲线圆管绕y轴顺时针旋转第三夹角，直至其左端与右端的连线平行于x-y平面。在将曲线圆管旋转第三夹角后，对应地在步骤s105中在将各个管段的控制点姿态相连形成圆管中心线之后，所述方法还包括：将所述圆管中心线绕y轴逆时针旋转该第三夹角。本发明针对左右两端连线不与x-y平面平行的曲线圆管，对曲线圆管进行调平，将曲线圆管绕y轴顺时针旋转第三夹角，使其左右两端连线与x-y平面平行，可以减小切割获得的管段的长度，对应地在将各个管段的控制点姿态相连后，将相连形成的圆管中心线绕y轴逆时针旋转第三夹角，可以保证建模精度。

当然，即便是左右两端连线平行于x-y平面的曲线圆管，曲线圆管的曲率也可能较大，此时采用固定间隔对曲线圆管进行切割，仍然可能出现曲线圆管曲率太大，从而使切割获得的管段的长度较大，这样还是会影响建模精度。为此，针对曲率较大的曲线圆管，本发明步骤s103可以具体包括：将该曲线圆管预先划分为多个子曲线圆管，例如利用对称线将曲线圆管划分为左右两部分；针对每个子曲线圆管，将该子曲线圆管绕y轴顺时针旋转对应第四夹角，直至其左端与右端的连线平行于x-y平面；沿着x轴方向每隔预设距离，利用一个垂直于x-y平面的切割面，将平行于x-z平面的子曲线圆管划分为多个管段。对应地，步骤s105中将各个管段的控制点姿态相连形成圆管中心线相连包括：针对每个子曲线圆管，将该子曲线圆管的各个管段的控制点姿态相连形成该子曲线圆管的管段中心线；将该管段中心线绕y轴逆时针旋转对应第四夹角，获得该子曲线圆管的圆管子中心线；将各个子曲线圆管的圆管子中心线相连形成圆管中心线。本发明针对曲率较大的曲线圆管，将曲线圆管预先划分为多个子曲线圆管，对每个子曲线圆管进行调平，将其旋转至左右两端连线平行于x-y平面，由此可以减小每个子曲线圆管切割获得的管段的长度，进一步保证建模精度。

步骤s106、基于所述圆管中心线空间姿态对该曲线圆管进行三维建模。

本实施例中，所述方法还包括：在步骤s104中针对每个管段，在将该管段上点云投影到x-y平面上之后，还根据投影到x-y平面上的点云，确定该管段的上端面和下端面的半径；在步骤s106中基于所述圆管中心线空间姿态对该曲线圆管进行三维建模包括：求取确定的各个管段的上端面和下端面的半径的平均值；基于所述圆管中心线空间姿态和半径的平均值，对该曲线圆管进行三维建模。本发明通过确定各个管段的上端面和下端面的半径，求取各个半径的平均值，基于圆管中心线和半径平均值对圆形管道进行三维建模，可以进一步保证建模精度。在进行三维建模时结合图3至图4所示，可以首先将数据导入cad生成空间曲线，并转化为dxf格式，最后在三维软件rhino中进行三维圆管建模，该圆管半径为求取的所有半径的平均值。

由上述实施例可见，本发明通过采集曲线圆管的点云，基于曲线圆管的点云进行建模，不必借助于弹线和反光片，因而操作比较简单且效率较高；通过对曲线圆管的点云进行平面坐标转化，可以获得曲线圆管的圆管中心线空间姿态，基于该圆管中心线空间姿态进行建模，建模方法简单且精度较高，并且可以实现曲线圆管的三维建模。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。