[发明专利]一种基于三维激光扫描技术的建筑物整体变形监测方法

权利要求书

1.一种基于三维激光扫描技术的建筑物整体变形监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）获取建筑物点云数据：利用三维激光扫描技术，扫描得到变形前后建筑物完整的点云数据；

（2）分割点云数据：将变形前后的点云数据按建筑物表面特征分别进行分割，得到分割后各子区域点云数据；

（3）数据规则化：对变形前后各子区域点云数据进行规则化，形成按行、列顺序排列的规则点云数据；

（4）点云数据空间特征提取：计算变形前后各个子区域点云模型的空间特征向量，并根据特征向量构建相应的空间特征坐标系统；

（5）点云模型变形分析：根据建筑物点云模型每一子区域在变形前后的特征坐标系，计算该子区域的变形量，即平移量Δx_i、Δy_i、Δz_i和旋转角度α_i、β_i、γ_i，并由以上特征坐标系的空间变形量，判断分析建筑物点云模型各子区域在空间中变形情况；

（6）建筑物整体变形情况判断：根据变形前后建筑物点云模型各子区域变形情况，分析建筑物各部分变形情况是否一致，若变形情况一致，则说明建筑物发生了整体变形，否则，说明建筑物各部分点云模型之间发生了相对变形。

2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的建筑物整体变形监测方法，其特征在于：步骤（4）提取建筑物点云模型特征向量的方法包括以下步骤：

a、点云数据规则化：对曲面点云进行规则化，形成均匀分布的点云数据；

b、特征向量方向修正：PCA算法提取出的特征向量存在两个方向，对特征向量的方向做以下调整：

①确定基准方向：采用空间坐标系中x、y、z轴的正方向为基准方向，即基准方向向量为a＝[100]、b＝[010]、c＝[001]；

②确定特征向量对应的参考方向：根据PCA特征向量P₁、P₂、P₃和基准方向向量a、b、c，计算出各特征向量同基准方向的夹角余弦，具体表达式为：

cosθP1a=P1.a|P1||a|cosθP1b=P1.b|P1||b|cosθP1c=P1.c|P1||c|]]>

cosθP2a=P2.a|P2||a|cosθP2b=P2.b|P2||b|cosθP2c=P2.c|P2||c|]]>

cosθP3a=P3.a|P3||a|cosθP3b=P3.b|P3||b|cosθP3c=P3.c|P3||c|]]>

maxθP1=max(|cosθaP1|,|cosθbP1|,|cosθcP1|)]]>

maxθP2=max(|cosθaP2|,|cosθbP2|,|cosθcP2|)]]>

maxθP3=max(|cosθaP3|,|cosθbp3|,|cosθcP3|)]]>

其中，θ的上标和下标表示该角度是哪两个向量之间的夹角，的值表示向量P₁同哪个基准向量的夹角最小，即特征向量P₁和哪个基准方量最接近，就把最近的基准方向作为特征向量的参考方向，以此类推得到P₂、P₃的参考方向；

③方向调整：特征向量与参考方向的夹角余弦小于0，则表示特征向量和其对应的基准向量的夹角为钝角，即方向相反，则改变特征向量的方向；特征向量与参考方向的夹角余弦大于0，则表示特征向量和其对应的基准向量的夹角为锐角，即方向相同，特征向量的方向不变；

c、PCA主轴向量修正：将以上经过方向修正的PCA特征向量作如下调整：

Ⅰ、计算模型几何特征：根据点云模型的特点，确定出点云模型的几何特征矢量：平面的法线、圆柱和圆锥轴线；

Ⅱ、第一主方向确定：计算特征向量P₁、P₂、P₃同点云模型几何特征矢量n之间的夹角，即

cosθPin=Pi.n|Pi||n|(i=1,2,3)]]>

其中，若则向量Pi和n的夹角否则，计算即同几何特征向量n夹角最小的PCA特征向量，并用几何特征向量替代该向量作为第一主方向；

Ⅲ、第二主方向确定：若点云模型中只有一个几何特征向量，根据右手坐标定理，即以右手握住第一主方向向量的正向，弯曲右手的四指，会从第二主方向的正向以π/2角度转向第三主方向的正向，即以四指弯曲时首先经过的方向作为第二主方向，以旋转π/2角度后的方向作为第三主方向；若点云模型的几何特征向量有两个，并且相互垂直，则在另两个PCA主轴中确定与第二个几何特征向量夹角最小的PCA主轴，并用第二个几何特征向量替代该PCA主轴作为第二主方向，最后的一个PCA主轴为第三主方向。