一种基于tls技术的桥梁安全评估方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测量技术领域，特别涉及一种基于地面三维激光扫描(TLS)技术的对桥梁建立三维模型并进行安全评估的方法，可用于桥梁的检测和评估。
【背景技术】
[0002]由于国内与国外地质条件、地下设施、地铁运输状况和需求，以及规范要求等多方面的差异，致使三维激光扫描技术在国内的应用，需要配合大量自主研发、适合中国国情和应用需求的软件和配套硬件，才可能发挥出该技术应有的科技水平和作用。传统的检测手段主要有全站仪、GPSRTK技术等。全站仪定位坐标时，受到天气、交通等很多因素的影响，限制较多，另外，它的测量距离短，需要频繁更换测点，而且全站仪测要求站点与被测的目标物点之间通视，至少要两个协同作业才能完成测量。当前，把桥梁实际模型还原成3D模型的的技术尚未有成熟的商业化运用。CATIA、Pro/E等CAD、CAE软件虽然可以对检测获取的点云逆向建模，但是需要对特征点和特征线进行人工提取来生成模型，耗费大量的人力和时间；因此，我们需要一个自动化的模型重建技术，从而能够及时地构建桥梁的实际模型以及预测模型，来避免各种安全隐患。
[0003]基于以上分析，本案由此产生。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，在于提供一种基于TLS技术的桥梁安全评估方法，其可缩短桥梁的检测时间。
[0005]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
[0006]—种基于TLS技术的桥梁安全评估方法，包括如下步骤:
[0007](I)利用三维激光扫描仪扫描目标桥梁，得到桥梁各区域点云数据，并对得到的点云数据进行预处理；
[0008](2)对步骤(I)中的点云数据进行进一步处理，获得完整三维模型以及变形和裂纹数据，然后对初始模型进行有限元分析，得到材料的变形和裂纹结果，并且将前述点云数据处理结果与有限元模型进行比对;再基于点云数据，修正有限元模型；
[0009](3)根据修正后的参数重建有限元模型，分析结构变形和裂纹情况，将有限元模型的变形和裂纹结果与点云数据进行比较，得出数值比较结果，以曲线或者云图的方式显示；
[0010](4)利用重建的有限元模型，智能预测结构未来的变形情况，并进行风险分析，给出风险分析报告。
[0011 ]上述步骤(I)中，还采用工业相机采集目标桥梁的颜色信息，并添加到桥梁各区域点云数据中。
[0012]上述步骤(I)中，对得到的点云数据进行预处理包括对点云数据进行坐标纠正，使相邻区域点云图上有三个以上的同名控制点和控制标靶，将相邻的点云数据统一到同一个坐标系下;对点云数据进行滤波，减少点云数据的噪声点;通过国家测绘局设定的一级控制点或者二级控制点把仪器坐标系下的点云数据转化到当地或者全球坐标系统下。
[0013]上述步骤(2)中，对点云数据进行进一步处理，获得完整三维模型以及变形和裂纹数据包括如下内容:将点云数据简化，对点云数据进行数据分割，划分到不同的点云子集中，每个点云子集代表同一种曲面形式;依次对每一个点云子集进行曲面拟合，运用NURBS曲面算法进行曲面拟合，对点云数据进行回归计算，得到设定条件下NURBS曲面公式模型中各参数的取值范围，最终用确定的参数分片描述扫描的点云数据，得到分片3D模型;接着，将各个分片3D模型拼接得到完整三维模型，输出点云数据、完整三维模型及其参数文件;之后，基于完整三维模型，提取整个结构的变形和裂纹数据。
[0014]上述步骤(2)中，修正有限元模型的具体内容是:将变形和裂纹数据作为特征量，将有限元分析中选取的参数作为设计参数，采用试验设计和回归分析方法，以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间复杂的隐式函数关系，得到简化的结构模型，给出有限元模型修正过程;用数值模拟算例和三维模型结果，实现基于响应面模型的结构有限元模型修正。
[0015]采用上述方案后，本发明与现有技术相比较具有以下突出的优点和效果:
[0016](I)硬件优势:一体化设计一一集数据采集、软件分析以及预测评估于一体的全自动高智能三维激光扫描设备。人性化设计一一彩色触摸显示屏，更易操作。智能化设计一一实时获得多个时段的预测评估以及合理方案。
[0017](2)软件优势:产品良好的兼容性，可直接导出￥1"1、(^；^口七1、口七8、口1:(3、172、1713、igs、pod等50多种格式的数据，方便与多种行业软件读取数据。Web共享功能，可将扫描图像直接上传至互联网，从而在无需其他辅助软件的情况下，确保客户、供应商和合作伙伴高效共享扫描信息。
[0018](3)效益优势:人工成本优势高于传统技术5倍以上，而时间成本却只有传统技术的十分之一，由于其技术数据的全面性，综合价值更是在十倍以上。随着产品的专业化与批量化其成本竞争力可进一步提高。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的系统原理图；
[0020]图2是TLS点云三维重建流程图。
【具体实施方式】
[0021]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0022]如图1所示，本发明提供一种基于TLS技术的桥梁安全评估方法，包括数据采集、模型重建和智能预测三大部分，具体可分解为如下步骤:
[0023](I)对目标桥梁进行三维激光扫描和对点云数据预处理
[0024]a)利用三维激光扫描仪扫描目标桥梁，得到桥梁各区域点云数据，通过LaserControl软件自动匹配拼接并存储于移动设备的磁盘矩阵中；同时采用工业相机采集颜色信息，并添加到前述点云数据中，增强模型的可视化。
[0025]所述三维激光扫描仪可采用全角度(fullcircle)、旋转频率在100转/秒以上、扫描点生产量300000点/秒以上的高速激光扫描设备，其他参考指标(最低)包括:最小有效测量范围〈I米;最大有效测量范围>100米;准确度(Accuracy) 10毫米;精度(Preci S 1n) 5毫米。三维激光扫描仪将生成高密度点云数据用于建立具体的三维模型，辅以1-2台工业相机，参考指标(最低)包括:5百万像素，2/3"(XD，曝光38微秒到60秒，视角80° (水平)65° (垂直)(5mm lens)。相机将与三维激光扫描仪完成标定并添加颜色信息到点云数据。相机数据将增强于模型的可视化并为点云分割提供重要依据。
[0026]本发明采用移动测量技术，与传统的测站测量相比的基本优势在于其高效性和实现全自动测量的可能性，测量员可以从繁复的手工搭建和转移测站的工作中解放出来，一方面最大程度减少测量所需人员，另一方面测量速度由于使用连续行驶的测量平台而得到大幅提高。近年扫描仪和测量技术的发展使得移动测量同时能够达到和基站测量同等甚至更高的精度成为可能。
[0027]b)对步骤a)中三维激光扫描仪采集的点云数据进行坐标纠正，使相邻区域点云图上有三个以上的同名控制点和控制标靶，将相邻的点云数据统一到同一个坐标系下。对点云数据进行滤波，减少点云数据的噪声点。通过国家测绘局设定的一级控制点或者二级控制点把仪器坐标系下的点云数据转化到当地或者全球坐标系统下。这样，初始化点云构建成功。从磁盘数据读取数据，通过深度图像配准、平滑散乱点云数据、简化散乱点云数据，对点云数据进行预处理。其目的是用少量的不含噪音的数据点集近似取代原始的点云数据，为进一步数据分析打下基础。
[0028](2)三维模型建立及修正
[0029]首先，对步骤(I)中的点云数据进行进一步处理，获得完整三维模型以及变形和裂纹数据。其次，对结构的设计模型或者其他描述结构理想状态的初始模型，结合材料，