一种柱状构件多期点云监测数据处理方法

本发明属于工程结构点云监测，尤其涉及一种柱状构件多期点云监测数据处理方法。

背景技术：

1、钢结构厂房钢柱、建筑立柱、桥梁墩柱、塔架立柱及管廊支柱在长期服役过程中可能受到基础沉降、温度变化、荷载调整及构件连接状态变化的影响，产生水平位置变化和方向参数变化，为及时掌握柱状构件的空间状态，需要利用移动式激光扫描设备、slam扫描设备及地面激光扫描设备进行周期性点云采集，并对不同监测时间形成的点云数据进行统一处理和多期比较。

2、现有柱状构件点云监测方法通常根据单次点云提取多个截面中心，再利用全部截面中心拟合构件中心线，但不同高度位置的点云容易受到扫描距离、扫描方向、局部遮挡、附着物及连接构造影响，存在点数不足、单侧集中及截面中心偏移问题，现有方法难以联合评价截面点数、采样覆盖、采样均匀性及中心线残差，低质量截面仍可能对中心线、顶部中心及底部中心产生较大影响。

3、此外，同一监测周期内多次重复观测的点云密度、配准质量和有效高度覆盖存在差异，现有方法通常选择单次观测作为周期结果，或者直接平均各次观测的最终参数，难以使切片级质量和观测级质量连续传递至周期结果，同时各监测周期分别执行附着物剔除后容易形成不同的数据处理口径，使周期间位置变化和方向参数变化受到非结构因素干扰，降低长期监测结果的稳定性和可比性。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有柱状构件多期点云监测中，不同观测的切片高度范围和采样状态不一致，各截面中心以相同权重参与中心线拟合，低质量切片及低质量重复观测容易影响周期代表结果，同时单周期附着物处理结果直接参与周期间比较会改变各期点云处理口径，导致柱状构件位置变化和方向参数变化受到非结构因素干扰的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种柱状构件多期点云监测数据处理方法，包括多期点云获取、坐标基准统一、柱体主体提取、跨观测同名切片构建、切片中心提取、切片联合质量评价、监测日中心线优化、监测日质量评价、周期同名切片融合、标准周期结果生成、单周期附着物精化、精化结果质量门控、多周期变化计算和监测结果输出。

3、获取同一柱状构件在多个监测时间形成的点云数据，为每次观测配置监测对象编号、观测编号、观测时间、所属监测周期、坐标系标识和长度单位，并将各次观测点云转换至统一内部长度单位。

4、在监测区域内选取稳定参考区域、固定控制标志及不参与监测的稳定构件，根据稳定参考对象将各次观测点云转换至项目参考坐标系，保存各次观测对应的空间变换关系和配准质量，配准过程中将被监测柱状构件及其变化敏感区域排除在配准参考区域之外。

5、从完成坐标统一的点云中提取柱状构件主体点云，建立固定项目局部坐标系，在全部监测周期共同采用的统一底部高度和统一顶部高度之间沿柱状构件高度方向设置固定切片，使不同观测中具有相同切片编号的切片对应相同高度区间，生成跨观测固定同名切片。

6、对各次观测中的固定同名切片执行离群点抑制和截面中心计算，保存切片有效点数、切片中心、横向点云范围、角度区域占用状态、点数分布状态和切片有效状态，并利用多个有效切片中心拟合监测日初始中心线。

7、根据切片有效点数生成采样数量指标，根据横截面角度区域占用状态生成采样覆盖指标，根据各角度区域内点数差异生成采样均匀性指标，根据切片中心相对于监测日初始中心线的水平残差生成中心线空间一致性指标，并根据上述指标生成切片联合质量权重。

8、根据切片联合质量权重对各次观测的切片中心执行加权中心线拟合，得到监测日优化中心线，并根据优化中心线重新计算切片中心线残差和切片联合质量权重，直至中心线参数变化满足收敛条件或达到预设迭代次数。

9、根据各次观测的有效切片质量、中心线拟合质量、点云配准质量及有效高度覆盖率生成监测日整体质量指标，并在同一监测周期内将监测日整体质量指标归一化，生成监测日融合权重。

10、对于同一监测周期内具有相同切片编号的多个有效切片，根据监测日融合权重和切片联合质量权重生成组合权重，利用组合权重融合各次观测的切片中心，得到周期同名切片中心，并记录各周期同名切片的有效观测支持数量和融合状态。

11、利用周期同名切片中心拟合标准周期代表中心线，根据标准周期代表中心线在统一底部高度和统一顶部高度处计算标准周期底部中心及标准周期顶部中心，生成包括周期代表中心线参数、顶部和底部中心、位置参数、方向参数、有效观测数量、有效切片数量、高度覆盖率及融合质量状态的标准周期结果。

12、在标准周期结果之外建立单周期附着物精化分支，将同一监测周期内完成坐标统一的柱体主体点云进行采样数量平衡和点云合并，生成周期代表柱体点云，对周期代表柱体点云中的柱脚构件、柱顶连接构件、局部附加点簇及其他非主体点进行处理，重新计算固定同名切片、切片中心、切片质量、中心线及顶部底部中心，生成单周期精化结果。

13、根据精化处理前后的点数保留率、有效切片保持率、有效高度覆盖率、横截面采样覆盖变化、顶部位置变化及中心线稳定性对单周期精化结果执行质量门控，满足质量门控条件时将单周期精化结果应用于单周期分析，不满足质量门控条件时回退至标准周期结果，并将单周期精化结果设置为禁止参与多周期比较。

14、选择参考周期和比较周期，仅调用两个周期的标准周期结果，计算顶部位置变化、底部位置变化、轴线分量变化、周期间轴线增量向量、周期自身水平偏移幅值差和方向参数变化，生成柱状构件多期变化结果。

15、输出各次观测的切片质量和切片联合质量权重、监测日优化中心线、监测日整体质量指标、周期同名切片融合结果、标准周期结果、单周期精化质量门控状态、多周期变化结果、坐标系标识、单位、算法版本、处理参数、异常状态及回退原因，形成可追溯的多期点云监测数据处理结果。

16、本发明有益效果如下：

17、（1）在统一坐标基准、统一高度范围和统一切片编号条件下构建跨观测固定同名切片，并根据有效点数、采样覆盖、采样均匀性和中心线残差生成切片联合质量权重，使低密度、单侧集中及明显偏离主体中心线的切片降低对中心线拟合的影响，解决不同观测切片位置不一致及低质量截面干扰中心线计算的问题。

18、（2）根据切片质量、中心线拟合质量、配准质量和有效高度覆盖率生成监测日融合权重，并以周期内同名切片为对象融合多次重复观测，使切片级质量信息和监测日级质量信息连续传递至标准周期代表中心线，解决选择单次观测及直接平均各次最终参数难以反映局部遮挡和观测质量差异的问题。

19、（3）设置标准周期结果和单周期精化结果两条相互隔离的数据处理分支，并通过点数保留率、有效切片保持率、高度覆盖率及中心线稳定性对精化结果执行质量门控，使单周期附着物处理能够提高主体分析质量，同时禁止处理口径不同的精化结果进入周期间比较，保证多期变化结果的一致性、可比性和可追溯性。

1.一种柱状构件多期点云监测数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的柱状构件多期点云监测数据处理方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述稳定参考对象包括稳定参考区域、固定控制标志和不参与监测的稳定构件，坐标转换过程中将被监测柱状构件及与被监测柱状构件连接的变化敏感区域排除在配准参考范围之外；所述固定项目局部坐标系的局部z方向与柱状构件主要延伸方向一致，局部x方向和局部y方向位于柱状构件横截面平面内；全部监测周期采用相同的统一底部高度、统一顶部高度、固定切片厚度、切片编号和切片高度区间。

3.根据权利要求2所述的柱状构件多期点云监测数据处理方法，其特征在于，所述步骤s3中，将柱状构件横截面平面划分为多个固定角度区域，根据切片有效点数相对于同一次观测中有效切片点数统计值的比例生成采样数量指标，根据存在有效点云的角度区域数量相对于固定角度区域总数量的比例生成采样覆盖指标，根据各固定角度区域内有效点数的分布差异生成采样均匀性指标，根据所述切片中心与所述监测日初始中心线在同一高度处的预测中心之间的水平距离生成中心线空间一致性指标，并根据所述采样数量指标、所述采样覆盖指标、所述采样均匀性指标和所述中心线空间一致性指标生成所述切片联合质量权重。

4.根据权利要求3所述的柱状构件多期点云监测数据处理方法，其特征在于，所述步骤s4中，分别根据所述切片联合质量权重对多个切片中心的局部x方向坐标和局部y方向坐标执行加权线性拟合，生成所述监测日优化中心线；完成一次加权线性拟合后，根据所述监测日优化中心线重新计算各切片中心的水平残差、中心线空间一致性指标及切片联合质量权重，并重新执行加权线性拟合，当相邻两次拟合形成的顶部中心水平变化和中心线方向参数变化均满足收敛条件时停止迭代。

5.根据权利要求4所述的柱状构件多期点云监测数据处理方法，其特征在于，所述步骤s5和所述步骤s6中，根据有效切片联合质量统计结果生成有效切片质量，根据监测日优化中心线的加权残差和迭代收敛状态生成中心线拟合质量，根据稳定参考对象的配准残差生成点云配准质量，根据有效切片覆盖高度与统一目标高度之间的比例生成有效高度覆盖率；所述组合权重为所述监测日融合权重和对应切片联合质量权重的组合结果，某次观测在对应切片编号处缺少有效切片时不参与对应周期同名切片中心的融合。

6.根据权利要求5所述的柱状构件多期点云监测数据处理方法，其特征在于，所述标准周期结果包括标准周期代表中心线、统一底部高度、统一顶部高度、标准周期底部中心、标准周期顶部中心、顶部相对于底部的局部x方向分量、顶部相对于底部的局部y方向分量、周期自身水平偏移幅值、周期自身方向角、有效观测数量、有效周期切片数量、有效高度覆盖率和融合质量状态；所述标准周期底部中心和所述标准周期顶部中心分别根据所述标准周期代表中心线在所述统一底部高度和所述统一顶部高度处的坐标计算得到。

7.根据权利要求6所述的柱状构件多期点云监测数据处理方法，其特征在于，所述步骤s7中，所述非主体点处理包括对柱脚构件点云、柱顶连接构件点云、局部附加点簇和孤立点簇进行识别处理；所述精化质量门控结果根据精化处理后的点数保留率、有效切片保持率、有效高度覆盖率、横截面采样覆盖变化、精化前后顶部位置变化和中心线方向参数变化生成；当所述精化质量门控结果满足预设质量条件时，将所述单周期精化结果应用于单周期分析，当所述精化质量门控结果不满足预设质量条件时，放弃所述单周期精化结果并回退至所述标准周期结果。

8.根据权利要求7所述的柱状构件多期点云监测数据处理方法，其特征在于，所述步骤s8中，仅根据所述参考周期和所述比较周期对应的标准周期结果计算两个周期之间的顶部位置变化、底部位置变化、局部x方向轴线分量变化、局部y方向轴线分量变化、周期间轴线增量向量、周期自身水平偏移幅值差和周期自身方向角差；输出结果还包括坐标系标识、长度单位、固定切片厚度、切片联合质量权重、监测日整体质量指标、监测日融合权重、周期同名切片有效观测支持数量、精化结果回退原因、算法版本和处理参数版本。