一种基于无人机激光雷达的桥梁施工支架变形监测预警方法与流程

本发明涉及桥梁变形监测，具体是一种基于无人机激光雷达的桥梁施工支架变形监测预警方法、设备及介质。

背景技术：

1、桥梁施工支架变形监测是通过安装传感器结合物联网、激光或传统测量技术，实时获取支架的沉降、位移和倾斜数据，分析变形规律，预警超限，确保施工安全和桥梁质量，常用方法包括激光监测、传感器监测及物联网数据平台应用。

2、在跨地形现浇连续梁施工期的监测场景中，现有桥梁现浇阶段对施工支架的监测多依赖少量测点或人工水准复测，难以在支架大范围、构件密集与环境受限条件下持续获取全域三维几何状态；当不均匀沉降、侧移与局部屈曲等早期微小变形出现时，现有方案难以区分真实变形与测量误差，导致预警阈值难设、报警可信度不足，从而亟需一种基于无人机激光雷达的支架变形监测预警方法，实现全域非接触点云获取、稳定配准、差异性判别与可解释预警输出。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出一种基于无人机激光雷达的桥梁施工支架变形监测预警方法、设备及介质。

2、为至少部分解决上述技术问题，在第一方面中，本发明提供的一种基于无人机激光雷达的桥梁施工支架变形监测预警方法包括：

3、获取基准期及当期点云数据，预处理筛选得到可用点云，所述可用点云包括稳定参照点集，以稳定参照点集为约束，将基准期及当期点云数据统一至同一坐标系，并计算配准残差；

4、提取控制构件中心线，以中心线确定各控制构件的局部法向，计算基准期及当期点云数据沿局部法向的距离差，得到法向变形量；

5、结合局部噪声与配准残差构建变形阈值，以变形阈值为边界对法向变形量执行门控判定，将判定通过的法向变形量按构件与截面聚合生成指标序列；

6、根据预设的分级预警阈值表，对指标序列执行序贯趋势检验，计算达到预警阈值的剩余时间。

7、作为一种优选的实施方式，所述的预处理筛选得到可用点云包括：

8、分别获取基准期的三维点云数据与当期三维点云数据，并对两期点云数据各自执行预处理流程；所述预处理流程包括对点云进行时间戳整理与坐标初始解算、采用统计离群剔除与半径邻域滤波去除孤立噪点、对点云强度与回波信息进行阈值筛选以剔除低可信回波，以及对点云进行体素降采样以获得均匀点密度；

9、对两期点云执行地面与非支架目标分割，基于高度分层与平面拟合提取地面点集并予以移除，对剩余点集按连通性与几何形态进行聚类，保留满足支架构件几何特征的点集作为支架结构的可用点云；在多期点云中选取稳定参照点集，并通过空间范围框选与特征一致性校核进行确认。

10、作为一种优选的实施方式，所述的计算配准残差包括：

11、以所述稳定参照点集为约束，采用刚体配准算法求解当期点云到基准期点云的旋转矩阵与平移向量，并将求得的刚体变换应用于当期可用点云以统一至基准期坐标系；配准完成后，依据稳定参照点集在配准前后对应点对的距离统计计算配准残差，并将配准残差与本期配准结果关联存储。

12、作为一种优选的实施方式，所述的计算基准期及当期点云数据沿局部法向的距离差包括：

13、基于已完成坐标统一的基准期可用点云与当期可用点云，按构件标识从点云中截取对应的构件点集；对每一构件点集先执行几何拟合以提取构件中心线及节点特征，当构件为立杆或斜撑时采用圆柱模型拟合得到构件轴线并记录圆柱半径与轴线方向向量，当构件为水平向连系或梁类的边缘线段时采用直线模型拟合得到中心线并记录线方向向量；

14、在拟合过程中以预设的内点距离阈值筛除离群点，并将构件交汇处、连接板邻域或拟合残差突变处作为节点候选区域，通过空间聚类与几何约束确定节点特征点集；在获得基准期与当期的构件中心线后，以基准期中心线为参考在构件长度方向按预设步长生成采样截面，并在每一采样截面处基于中心线方向构建局部坐标系，取与中心线垂直的截面平面作为构件局部法向参考面；分别在基准期点云与当期点云中，于每一采样截面邻域内提取对应的局部点集，并对两期局部点集计算沿截面法向的距离差，所述距离差作为该截面位置的法向变形量。

15、作为一种优选的实施方式，所述的局部法向，包括：

16、在拟合过程中以预设的内点距离阈值筛除离群点，并选取节点候选区域，通过空间聚类与几何约束确定节点特征点集；在获得基准期与当期的构件中心线后，以基准期中心线为参考在构件长度方向按预设步长生成采样截面，并在每一采样截面处基于中心线方向构建局部坐标系，取与中心线垂直的截面平面作为构件局部法向参考面。

17、作为一种优选的实施方式，所述的以变形阈值为边界对法向变形量执行门控判定包括：

18、在局部点集内计算点到拟合模型的残差并统计得到局部噪声参数，并读取本期点云配准残差作为配准误差项，将局部噪声参数与配准误差项组合计算得到对应位置的变形阈值，公式为：

19、，

20、其中k表示构件索引，表示第k个构件的95%置信水平变形阈值，1.96是正态分布在95%置信水平下的系数，表示基准期在第k个构件内的局部噪声标准差，表示基准期在第k个构件内参与统计的有效点数，表示当期在第k个构件内的局部噪声标准差，表示当期在第k个构件内参与统计的有效点数，表示两期点云在稳定参照点集约束下进行刚体配准后得到的配准残差项；

21、将每一截面位置的法向变形量与其变形阈值进行比较，当法向变形量超过变形阈值时将该位置标记为门控通过，并将门控判定结果与构件标识、截面位置索引及对应阈值一并记录。

22、作为一种优选的实施方式，预设的所述分级预警阈值表的生成过程包括：

23、读取施工设计文件中针对沉降、侧移与倾角给出的允许变形限值，将所述允许变形限值写入阈值表的最高等级阈值项；当专项方案未给出某一指标的允许变形限值时，选取稳定期的多期指标样本；分别计算该指标的均值与标准差，并按预设倍数关系生成提示、预警与报警三级阈值，形成包含指标类型、构件标识、阈值等级与阈值数值的分级预警阈值表，并将所述阈值表与构件台账及期次标识关联存储。

24、所述的对指标序列执行序贯趋势检验，计算达到预警阈值的剩余时间包括：

25、读取各构件的沉降、侧移与倾角指标序列及其对应分级预警阈值表，对每一构件的每一类指标以期次标识为时间索引构建滑动分析窗口；在所述滑动分析窗口内对指标序列执行序贯趋势检验，计算窗口内指标增量序列并生成累积统计量，当累积统计量超过预设触发界时记录该构件该指标进入趋势状态；在进入趋势状态后，对窗口内指标序列执行线性拟合以得到变化斜率，并以当前指标值、变化斜率与对应预警阈值计算达到预警阈值的剩余时间，将剩余时间作为提前量与构件标识、指标类型及阈值等级关联记录。

26、在第二方面中，本技术提供一种电子设备，包括：处理器；以及存储器，其中存储有程序指令，当所述程序指令由所述处理器执行时，使得所述电子设备实现前述第一方面中的一个或者多个实施例。

27、在第三方面中，本技术提供一种存储介质，其上存储有计算机可读指令，该计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，实现前述第一方面中的一个或者多个实施例。

28、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

29、1.通过稳定参照点集约束的刚体配准统一多期坐标，并输出配准残差作为误差项参与后续阈值计算，保证各期变形量在同一坐标基准下计算。

30、2.对指标序列执行序贯趋势检验与线性拟合，计算达到预警阈值的剩余时间作为提前量输出，并依据异常区域权重生成下一期自适应复测航线，实现监测、判定、复测的闭环流程。