【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于橋梁檢測，具體涉及一種復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法。
技術介紹
1、隨著現代橋梁向大跨、高墩、高塔、巨型節段工廠化預制的方向發展，對橋梁幾何形態測量提出了越來越高的要求。先進測量設備中具有代表性的三維激光掃描儀能以毫米級精度快速獲取被測物體幾何形態相關數據，為精確的橋梁幾何狀態檢測提供了新的技術手段。在實際項目中，三維激光掃描儀的數據采集工作通常依賴于檢查員的主觀操作，導致采集的數據質量不可控。盡管一些學者已經提出了橋梁場景的掃描規劃方法，但這些方法通常針對的是幾何形態相對簡單的橋梁，如梁橋。對于復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃問題，尚未得到充分解決。復雜場景下大尺度橋梁的掃描規劃與簡單幾何形態橋梁的掃描規劃有兩個主要區別。
2、首先，復雜場景下可供架設三維激光掃描儀的位置有限，通常架設在橋面上掃描高空構件或者在橋下掃描整體橋形。為了滿足感興趣區域的細節程度和完整度要求，必須采用遠距離且高掃描分辨率掃描模式，而高掃描分辨率模式下使用全景掃描必然造成更大的時間成本。在掃描規劃時考慮高掃描分辨率測站的掃描方位角，以平衡掃描效率和數據質量，是符合實際需要的。
3、其次，制定方案時需要考慮后續點云配準條件。一般簡化考慮配準條件方法是要求兩配準點云的重疊率大于20％，但是點云數據固有的噪聲和異常值，以及掃描不完整等因素，對提取匹配特征算法的準確度提出了嚴格的要求，尤其是現缺乏成熟的點云處理算法實現復雜場景精準配準。另一種方法是引入基于目標的點云配準，這仍然是較為通用的方式。但現有研究缺
4、因此，當前急需提出一種復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，以制定掃描方案，指導現場掃描。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供一種復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，利用橋梁三維模型中提取的表面點云作為模擬場景，考慮用戶的數據需求和所用掃描儀參數的多重約束條件下，基于加權貪心算法、蟻群算法和密度聚類算法進行設計。
2、本專利技術解決其技術問題是通過以下技術方案實現的：
3、一種復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，所述方法的步驟為：
4、s1、使用無人機攝影測量重建橋梁三維模型，在橋梁三維模型中添加掃描障礙物，提取模型三角形的中心點及中心點法向量，以此構建橋梁實體點云，分割實體點云中能夠架設掃描儀和擺放標靶的區域并離散為等距網格點，作為測站及標靶候選點集；
5、s2、在無約束條件下，對實體點云進行虛擬預掃描，獲得表面點云，下采樣并分割出特殊區域，作為橋梁模擬場景；
6、s3、根據用戶需求和掃描儀參數，設置全局區域點云密度、特殊區域點云密度，最大入射角、最大掃描距離和掃描角分辨率范圍的約束條件，在約束條件下對橋梁模擬場景開展射線追蹤仿真分析，通過加權貪心算法進行兩階段測站布置優化，選取最優測站位置、掃描角分辨率和高掃描角分辨率測站的掃描方位角，根據測站布置優化結果，以掃描儀移動路徑最短和相鄰測站掃描重疊點數最多為目標，通過蟻群算法對最優測站進行路徑規劃；
7、s4、根據測站路徑規劃結果，聚類鄰近測站為測站組，基于標靶候選點集和測站組分布情況，以測站標靶互視和標靶坐標協方差條件數最小為原則，進行標靶布置優化，找出每組測站的最優標靶位置；
8、s5、匯總測站和標靶布置優化結果輸出掃描方案，掃描方案包括最優測站位置及測站組、每組測站的最優標靶位置、掃描角分辨率、高掃描角分辨率測站的掃描方位角和掃描路徑。
9、而且，所述s2中虛擬預掃描具體過程如下：
10、首先，按照測量專業人員的掃描規劃經驗，選定一組虛擬預掃描的測站位置；
11、其次，基于虛擬預掃描的測站位置，在無約束條件下，對實體點云進行射線追蹤仿真分析，保存所有可視點，作為橋梁表面點云。
12、而且，所述s3中兩階段測站布置優化具體過程如下：
13、首先，采用低掃描角分辨率的全景掃描模式，統計場景內滿足約束條件的區域位置，判斷特殊區域是否滿足約束條件；
14、其次，若不滿足約束條件，則先針對特殊區域使用高掃描角分辨率限制方位角的掃描模式模擬，再進行低掃描分辨率全景掃描模式模擬；
15、再次，根據滿足約束條件的場景點數量，計算每個測站候選點的權重系數，迭代選取最大權重的測站，直到全部掃描點滿足完整度要求，或相鄰兩次迭代的覆蓋率之差小于規定閾值，則停止迭代，獲得一組最優測站位置和掃描角分辨率。
16、而且，所述s3中路徑規劃具體過程如下：
17、首先，采用蟻群算法，將若干螞蟻分配到各個測站，根據測站之間的距離和掃描重疊率，啟發函數計算每只螞蟻對下一測站的轉移概率，通過輪賭法選擇下一測站，記錄螞蟻走過的測站的順序以及路徑長度，直到訪問完所有測站，通過對每只螞蟻路徑總長度升序選出精英螞蟻；
18、重復以上步驟，直到滿足預設迭代次數，此時精英螞蟻走過的測站的順序以及路徑長度即為全局路徑規劃。
19、而且，所述s4中測站分組具體過程如下：
20、首先，統計所有兩鄰近測站距離的中位數，以某一測站為圓心，以中位數為半徑，繪制鄰域圓，進行鄰域檢測，若鄰域內測站數量等于或超過數量閾值，則此測站為核心測站，否則為噪聲測站。其中，數量閾值設為2；
21、其次，對鄰域內所有測站進行鄰域檢測，直到檢測出噪聲測站，檢測出的所有核心測站視為同組測站，噪聲測站為獨自的測站組；
22、最后，對剩余測站重復上述步驟，直到所有測站劃分為多個測站組。
23、而且，所述s4中標靶布置優化具體過程如下：
24、首先，針對同一測站組，以組內測站標靶互視和坐標協方差矩陣條件數最小為原則，在可視的標靶候選點中選取3個標靶布置點；
25、其次，針對相鄰測站組，根據路徑規劃結果，確定兩個最鄰近測站，以兩個鄰近測站標靶互視和坐標協方差矩陣條件數最小為原則，在可視的標靶候選點中選取3個標靶位置，重復以上步驟，直到遍歷所有測站組。
26、而且，所述最大入射角不大于70度。
27、本專利技術的優點和有益效果為：
28、1、本專利技術提出針對橋上橋下場景的掃描規劃方法，為制定典型橋梁場景掃描方案提供指導；
29、2、本專利技術考慮高掃描分辨率測站的掃描方位角條件，可滿足感興趣區域的細節程度和完整度要求的同時降低時間成本；
30、3、本專利技術提出最小化點云配準所需標靶數量的優化方法，緩解基于標靶配準的掃描方案造成的效率低下問題；
31、4、本專利技術提出的掃描規劃方法，為復雜橋梁掃描場景的測站與標靶優化布置的提供了通用解決思路，可以應用于其他橋梁場景下三維激光掃描規本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述方法的步驟為：
2.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述S2中虛擬預掃描具體過程如下：
3.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述S3中兩階段測站布置優化具體過程如下：
4.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述S3中路徑規劃具體過程如下：
5.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述S4中測站分組具體過程如下：
6.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述S4中標靶布置優化具體過程如下：
7.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述最大入射角不大于70度。
【技術特征摘要】
1.一種復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述方法的步驟為：
2.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述s2中虛擬預掃描具體過程如下：
3.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法，其特征在于：所述s3中兩階段測站布置優化具體過程如下：
4.根據權利要求1所述的復雜場景下大尺度橋梁三維激光掃描規劃方法...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱勁松，韓偉男，高嫦娥，孫雅丹，王多吳，楊瑞鵬，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：
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