本發(fā)明屬于測繪技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
古建筑是指具有歷史意義的建國之前的民用建筑和公共建筑。在中國，很多古鎮(zhèn)以及大部分的大城市還保留著一些古建筑。然而，在大興土木的現(xiàn)在，許多古建筑被人為拆除或由于地質(zhì)環(huán)境的劇烈變化，如在古建筑周邊修建的水庫、高樓等，造成古建筑變形速度加劇，進而導(dǎo)致古建筑越來越快速的出現(xiàn)形變破損。此外，由于古建筑的形變是一個相對緩和的過程，管理人員或住戶一般很難通過肉眼或傳統(tǒng)的測繪設(shè)備發(fā)現(xiàn)這一形變過程，往往只有當(dāng)古建筑出現(xiàn)形變破損后，才能采取相應(yīng)的修補措施，這對古建筑的保存和保養(yǎng)極為不利。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)僅能在古建筑出現(xiàn)形變破損后，才能采取相應(yīng)的修補措施的問題，提供了一種基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測方法，具體包括以下步驟：
s1.對待監(jiān)測古建筑進行第一次三維掃描，建立目標古建筑點云數(shù)據(jù)信息。
s2.對同一待監(jiān)測古建筑進行第二次至第n次三維掃描，再次建立目標古建筑的相應(yīng)點云數(shù)據(jù)信息。
s3.對比同一待監(jiān)測古建筑兩次或兩次以上的點云數(shù)據(jù)信息，分析得到古建筑自身形變信息。
s4.根據(jù)所得古建筑點自身形變信息，判斷是否需要發(fā)出古建筑變形警報。
進一步的，步驟s1和步驟s2所述三維掃描的掃描方法包括：
(1)在建筑周邊設(shè)置掃描測站，并對掃描測站進行編號。
(2)獲取各掃描測站的掃描信息，并按照掃描測站編號進行數(shù)據(jù)拼接。
進一步的，所述按照掃描測站編號進行數(shù)據(jù)拼接的方法包括：首先將掃描測站按照編號循序。然后將編號連續(xù)的2個以上掃描測站設(shè)為一個掃描組，各掃描組內(nèi)的掃描測站數(shù)相同，且相鄰掃描組內(nèi)存在相同編號的掃描測站。采用精密控制測量的方法精密測定所有掃描組內(nèi)3個以上的公共掃描基準點作為掃描組內(nèi)數(shù)據(jù)拼接的基準，所有基準點將通過最小二乘平差的方法進行整體精確定位。之后將各掃描組內(nèi)的掃描測站信息按照編號順序進行拼接。最后將相鄰的掃描組，以相同編號掃描測站為基礎(chǔ)進行疊加拼接。
進一步的，所述疊加拼接的方法包括：
首先將兩個相鄰掃描組的相同掃描測站編號處的掃描信息，以最大重合度進行重合疊加。然后對于重合疊加部分的重復(fù)數(shù)據(jù)區(qū)域，刪除其中一組重復(fù)的數(shù)據(jù)，對于重合疊加部分的非重復(fù)數(shù)據(jù)區(qū)域，取兩組掃描信息的平均值進行處理。上述疊加完成后，得到拼接后的掃描信息。
進一步的，步驟s2中所述第二次至第n次三維掃描基于與第一次三維掃描相同的掃描測站分布設(shè)置和點云處理方法，相鄰兩次掃描的時間間隔為3-36個月。
進一步的，步驟s3所述分析得到古建筑自身形變信息的方法包括：首先分別截選出非同次掃描所得古建筑底面的二維圖層。然后以所得底面二維圖層為基點，最大限度重合非同次掃描所得古建筑點云數(shù)據(jù)信息。之后刪除其中重復(fù)的點云數(shù)據(jù)，保留非重合點云數(shù)據(jù)作為所述古建筑自身形變信息。
進一步的，步驟s4所述判斷是否需要發(fā)出古建筑變形警報的方法包括：首先以第一次獲得的古建筑點云數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)建立基礎(chǔ)三維坐標系。然后加載歷次古建筑自身形變信息，根據(jù)基礎(chǔ)三維坐標系，對所述古建筑自身形變信息進行量化處理，得到古建筑掃描數(shù)據(jù)信息中各掃描點歷次的形變量。之后基于下述判斷步驟對所得各掃描點歷次形變量進行進一步判斷：
(1)判斷各掃描點的所有歷次形變量相比第一次獲得的古建筑點云數(shù)據(jù)信息，是否超過預(yù)設(shè)形變閾值，如超過則報警，如未超過則進入步驟(2)。
(2)以各掃描點在第一次獲得的古建筑點云數(shù)據(jù)中對應(yīng)的點為基點，以各掃描點歷次形變量為變化值，在基礎(chǔ)三維坐標系中建立各掃描點歷次形變量關(guān)于掃描時間的變化曲線。判斷所得各掃描點變化曲線的趨勢，如變化曲線趨向線性變化，且形變量數(shù)據(jù)點≥3個，則發(fā)出古建筑變形警報。如變化曲線趨向無序變化，則判斷終止。
進一步的，步驟s1還包括：選定目標古建筑周邊的至少一個參照物與古建筑進行同步三維掃描，計算得到古建筑點云數(shù)據(jù)中的各掃描點相對參照物的距離信息。
步驟s2還包括：對同一待監(jiān)測古建筑進行第二次至第n次古建筑與參照物的同步三維掃描，計算得到古建筑第二次至第n次點云數(shù)據(jù)相對參照物的距離信息。
步驟s3還包括：通過比對歷次掃描所得的古建筑點云數(shù)據(jù)相對參照物的距離信息，與第一次掃描所得的古建筑點云數(shù)據(jù)相對參照物的距離信息，得到歷次掃描古建筑數(shù)據(jù)點云相對參照物的距離變化信息。
步驟s4還包括：根據(jù)所得古建筑相對參照物的距離變化信息，判斷是否需要發(fā)出古建筑變形警報或古建筑所在地的地質(zhì)環(huán)境警報。
進一步的，所述判斷是否需要發(fā)出古建筑變形警報或古建筑所在地的地質(zhì)環(huán)境警報的方法包括：
a.判斷歷次掃描所得的距離變化信息是否超出預(yù)設(shè)閾值，去超過則發(fā)出古建筑變形警報，如未超過則進入下一步驟。
b.判斷歷次掃描所得的距離變化信息是否成線性規(guī)律變化，如是則發(fā)出古建筑所在地的地質(zhì)環(huán)境警報，如不是則進入下一步驟。
c.判斷各次掃描所得的距離變化信息點數(shù)是否超過古建筑所有點云數(shù)據(jù)的60％以上，如超過則發(fā)出古建筑所在地的地質(zhì)環(huán)境警報，如未超過則判斷終止。
本發(fā)明還提供了一種基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括點云掃描端和數(shù)據(jù)處理端。所述點云掃描端包括圍繞待掃描建筑設(shè)置的2個以上掃描參考基準和2個以上掃描測站。所述點云掃描端掃描的到的掃描信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理端。
所述數(shù)據(jù)處理端包括：接收模塊、分析模塊、儲存模塊和報警模塊。
所述接收模塊用于接收點云掃描端掃描得到的點云數(shù)據(jù)信息。
所述分析模塊包括：采用上述基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測方法，對所述點云數(shù)據(jù)信息進行分析處理。
所述儲存模塊用于儲存點云數(shù)據(jù)信息和分析模塊得到的分析數(shù)據(jù)信息。
所述報警模塊與分析模塊信號連接，根據(jù)分析模塊發(fā)出的報警指令，向用戶發(fā)出相應(yīng)警報。
本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點之一：
1.本發(fā)明基于三維點云技術(shù)，通過對古建筑多次不同時間段的三維數(shù)據(jù)模型對比，得到古建筑的形變信息，進而分析出古建筑的形變趨勢，往往可以在古建筑出現(xiàn)形變破損前就及時發(fā)現(xiàn)和提示管理員或住戶，古建筑出現(xiàn)形變。這樣管理員或住戶就可以在古建筑出現(xiàn)形變破損前進行針對性的保養(yǎng)，而不用等古建筑出現(xiàn)破損后進行修復(fù)，可以最大限度的完整保存古建筑。
2.本發(fā)明采用自主研發(fā)的數(shù)據(jù)拼接技術(shù)，可以對點云數(shù)據(jù)進行精確定位，進而保證了數(shù)據(jù)模型的精確度和準確度，從而提高古建筑監(jiān)測的準確度。
3.本發(fā)明利用同比參照物的方法，可以實現(xiàn)對古建筑所在地的地質(zhì)變化情況進行監(jiān)控，幫助管理員或住戶有針對性的解決古建筑的形變問題。
4.本發(fā)明提供的基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測系統(tǒng)，可以快速、準確、高效的對古建筑進行形變監(jiān)測。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實施例1
一種基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測方法，具體包括以下步驟：
s1.對待監(jiān)測古建筑進行第一次三維掃描，建立目標古建筑點云數(shù)據(jù)信息。
s2.對同一待監(jiān)測古建筑進行第二次至第n次三維掃描，再次建立目標古建筑的相應(yīng)點云數(shù)據(jù)信息。
s3.對比同一待監(jiān)測古建筑兩次或兩次以上的點云數(shù)據(jù)信息，分析得到古建筑自身形變信息。
s4.根據(jù)所得古建筑點自身形變信息，判斷是否需要發(fā)出古建筑變形警報。
步驟s1和步驟s2所述三維掃描的掃描方法包括：
(1)在建筑周邊設(shè)置掃描測站，并對掃描測站進行編號。
(2)獲取各掃描測站的掃描信息，并按照掃描測站編號進行數(shù)據(jù)拼接。
所述按照掃描測站編號進行數(shù)據(jù)拼接的方法包括：首先將掃描測站按照編號循序。然后將編號連續(xù)的2個掃描測站設(shè)為一個掃描組，各掃描組內(nèi)的掃描測站數(shù)相同，且相鄰掃描組內(nèi)存在相同編號的掃描測站。采用精密控制測量的方法精密測定所有掃描組內(nèi)3個公共掃描基準點作為掃描組內(nèi)數(shù)據(jù)拼接的基準，所有基準點將通過最小二乘平差的方法進行整體精確定位。之后將各掃描組內(nèi)的掃描測站信息按照編號順序進行拼接。最后將相鄰的掃描組，以相同編號掃描測站為基礎(chǔ)進行疊加拼接。
所述疊加拼接的方法包括：
首先將兩個相鄰掃描組的相同掃描測站編號處的掃描信息，以最大重合度進行重合疊加。然后對于重合疊加部分的重復(fù)數(shù)據(jù)區(qū)域，刪除其中一組重復(fù)的數(shù)據(jù)，對于重合疊加部分的非重復(fù)數(shù)據(jù)區(qū)域，取兩組掃描信息的平均值進行處理。上述疊加完成后，得到拼接后的掃描信息。
現(xiàn)有掃描數(shù)據(jù)的拼接通常采用公共標識連續(xù)拼接的方式，即通過不同掃描測站之間的公共標識進行連續(xù)拼接，最后連接成一個整體，直至形成掃描模型。采用現(xiàn)有掃描數(shù)據(jù)拼接方法，雖然可以形成較為完成的數(shù)據(jù)模型，然而由于拼接時的拼接標識缺乏足夠的定位精度，拼接誤差隨著掃描測站數(shù)的增加誤差不斷累積，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)不符合實際建筑結(jié)構(gòu)、模型出現(xiàn)不同程度的彎曲或扭曲、存在“飛離”現(xiàn)象，即墻離地、窗離墻等問題，需要進行大量的人工校對或重新掃描。
申請人經(jīng)過研究，采用了新的數(shù)據(jù)拼接方法，即通過設(shè)置掃描測站編號、精密定位掃描組內(nèi)的拼接基準標識、組合掃描組、拼接掃描組的方式進行數(shù)據(jù)拼接。由于各掃描組內(nèi)存在至少1個相同掃描測站的掃描數(shù)據(jù)，這樣拼接時就可以以相同掃描測站的數(shù)據(jù)為基點實現(xiàn)自動校對。采用該方法拼接出的數(shù)據(jù)模型幾乎不需要進行人工校對，數(shù)據(jù)模型的準確度很高。
步驟s2中所述第二次至第n次三維掃描基于與第一次三維掃描相同的掃描測站分布設(shè)置和點云處理方法，相鄰兩次掃描的時間間隔為3個月。
實施例2
基于實施例1所述基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測方法，其中步驟s3所述分析得到古建筑自身形變信息的方法包括：首先分別截選出非同次掃描所得古建筑底面的二維圖層。然后以所得底面二維圖層為基點，最大限度重合非同次掃描所得古建筑點云數(shù)據(jù)信息。之后刪除其中重復(fù)的點云數(shù)據(jù)，保留非重合點云數(shù)據(jù)作為所述古建筑自身形變信息。
步驟s4所述判斷是否需要發(fā)出古建筑變形警報的方法包括：首先以第一次獲得的古建筑點云數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)建立基礎(chǔ)三維坐標系。然后加載歷次古建筑自身形變信息，根據(jù)基礎(chǔ)三維坐標系，對所述古建筑自身形變信息進行量化處理，得到古建筑掃描數(shù)據(jù)信息中各掃描點歷次的形變量。之后基于下述判斷步驟對所得各掃描點歷次形變量進行進一步判斷：
(1)判斷各掃描點的所有歷次形變量相比第一次獲得的古建筑點云數(shù)據(jù)信息，是否超過預(yù)設(shè)形變閾值，所述閾值一般可以選定為形變量不超過5％，也可以額根據(jù)需要選擇1％、3％、10％等。如形變量超過所述閾值則說明古建筑在某一點或某一區(qū)域發(fā)生重大形變，此時應(yīng)針對該點或該區(qū)域進行古建筑形變報警，如未超過，則說明古建筑可能因為風(fēng)吹日曬、內(nèi)部裝飾變化等原因發(fā)生了規(guī)律或小規(guī)模形變，則進入步驟(2)進行進一步判斷。
(2)以各掃描點在第一次獲得的古建筑點云數(shù)據(jù)中對應(yīng)的點為基點，以各掃描點歷次形變量為變化值，在基礎(chǔ)三維坐標系中建立各掃描點歷次形變量關(guān)于掃描時間的變化曲線。判斷所得各掃描點變化曲線的趨勢，如變化曲線趨向線性變化，且形變量數(shù)據(jù)點≥3個，則說明古建筑正在發(fā)生緩慢而規(guī)律的形變，該形變一般是由于外部自然條件，如風(fēng)水日曬導(dǎo)致，此時需要發(fā)出古建筑變形警報。如變化曲線趨向無序變化，則說明古建筑的形變不會或難以形成累積量，進而導(dǎo)致形變破損，因此可以暫時不用進行關(guān)注，此時判斷終止。
實施例3
基于實施例1所述基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測方法，步驟s1還包括：選定目標古建筑周邊的至少一個參照物與古建筑進行同步三維掃描，計算得到古建筑點云數(shù)據(jù)中的各掃描點相對參照物的距離信息。
步驟s2還包括：對同一待監(jiān)測古建筑進行第二次至第n次古建筑與參照物的同步三維掃描，計算得到古建筑第二次至第n次點云數(shù)據(jù)相對參照物的距離信息。
步驟s3還包括：通過比對歷次掃描所得的古建筑點云數(shù)據(jù)相對參照物的距離信息，與第一次掃描所得的古建筑點云數(shù)據(jù)相對參照物的距離信息，得到歷次掃描古建筑數(shù)據(jù)點云相對參照物的距離變化信息。
步驟s4還包括：根據(jù)所得古建筑相對參照物的距離變化信息，判斷是否需要發(fā)出古建筑變形警報或古建筑所在地的地質(zhì)環(huán)境警報。
所述判斷是否需要發(fā)出古建筑變形警報或古建筑所在地的地質(zhì)環(huán)境警報的方法包括：
a.判斷歷次掃描所得的距離變化信息是否超出預(yù)設(shè)閾值，去超過則發(fā)出古建筑變形警報，如未超過則進入下一步驟。
b.判斷歷次掃描所得的距離變化信息是否成線性規(guī)律變化，如是則發(fā)出古建筑所在地的地質(zhì)環(huán)境警報，如不是則進入下一步驟。
c.判斷各次掃描所得的距離變化信息點數(shù)是否超過古建筑所有點云數(shù)據(jù)的60％以上，如超過則發(fā)出古建筑所在地的地質(zhì)環(huán)境警報，如未超過則判斷終止。
采用上述方法可以通過引入的參照物——通?？梢赃x擇遠處的山、河道等相對固定的物體——對古建筑進行二次定位分析，通過對比古建筑相對參照物的位置變化，進一步判斷出古建筑的形變是由于外部自然條件導(dǎo)致還是由于地質(zhì)環(huán)境變化導(dǎo)致，可以幫助管理員或住戶進行針對性的保養(yǎng)或補救措施。
實施例4
一種基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括點云掃描端和數(shù)據(jù)處理端。所述點云掃描端包括圍繞待掃描建筑設(shè)置的2個用于精確定位建筑的掃描參考基準，和4個掃描測站。所述點云掃描端掃描的到的掃描信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理端。
所述數(shù)據(jù)處理端包括：接收模塊、分析模塊、儲存模塊和報警模塊。
所述接收模塊用于接收點云掃描端掃描得到的點云數(shù)據(jù)信息。
所述分析模塊包括：采用上述基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測方法，對所述點云數(shù)據(jù)信息進行分析處理。
所述儲存模塊用于儲存點云數(shù)據(jù)信息和分析模塊得到的分析數(shù)據(jù)信息。
所述報警模塊與分析模塊信號連接，根據(jù)分析模塊發(fā)出的報警指令，向用戶發(fā)出相應(yīng)警報。
本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點之一：
1.本發(fā)明基于三維點云技術(shù)，通過對古建筑多次不同時間段的三維數(shù)據(jù)模型對比，得到古建筑的形變信息，進而分析出古建筑的形變趨勢，往往可以在古建筑出現(xiàn)形變破損前就及時發(fā)現(xiàn)和提示管理員或住戶，古建筑出現(xiàn)形變。這樣管理員或住戶就可以在古建筑出現(xiàn)形變破損前進行針對性的保養(yǎng)，而不用等古建筑出現(xiàn)破損后進行修復(fù)，可以最大限度的完整保存古建筑。
2.本發(fā)明采用自主研發(fā)的數(shù)據(jù)拼接技術(shù)，可以對點云數(shù)據(jù)進行精確定位，進而保證了數(shù)據(jù)模型的精確度和準確度，從而提高古建筑監(jiān)測的準確度。
3.本發(fā)明利用同比參照物的方法，可以實現(xiàn)對古建筑所在地的地質(zhì)變化情況進行監(jiān)控，幫助管理員或住戶有針對性的解決古建筑的形變問題。
4.本發(fā)明提供的基于三維點云技術(shù)的古建筑變形監(jiān)測系統(tǒng)，可以快速、準確、高效的對古建筑進行形變監(jiān)測。
應(yīng)該注意到并理解，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所要求的精神和范圍的情況下，能夠?qū)ι鲜鲈敿毭枋龅谋景l(fā)明做出各種修改和改進。因此，要求保護的技術(shù)方案的范圍不受所給出的任何特定示范教導(dǎo)的限制。