(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111427712.8 (22)申请日 2021.11.28 (71)申请人 湖南康桥智能科技有限公司 地址 410000 湖南省长 沙市岳麓区观沙岭 街道潇湘北路与北津城 路交汇处岳华 新苑项目6 栋10层 (72)发明人 周朗明　万智　胡帅花　童宸鹏　 谭广宇　 (74)专利代理 机构 长沙麓创时代 专利代理事务 所(普通合伙) 43249 代理人 贾庆 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06K 9/62(2022.01) G01S 17/89(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种梁桥梁底结构轻量BIM模型快速构建方 法 (57)摘要 本发明公开了一种梁桥梁底结构轻量BIM模 型快速构建方法， 本发明通过多自由度单线激光 采集梁桥横纵断面的剖面点云， 进一步自动提取 结构化参数， 快速构建公路梁桥梁底结构轻量 BIM模型， 实施过程无需人工干预， 速度快， 成本 低， 且精度有保障， 可广泛应用于桥梁BIM模型构 建， 桥梁病害管养， 桥梁加固维修 等领域。 权利要求书3页 说明书11页 附图7页 CN 114372303 A 2022.04.19 CN 114372303 A 1.一种梁桥梁底结构轻量BIM模型 快速构建方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤一、 将单线激光雷达通过伸展装置放置 于梁桥底下； 步骤二、 单线激光雷达旋转获取序列单线激光点云用于标定横向剖面和纵向剖面采集 角度， 然后单线激光雷达沿横向滑动进 行横断面的采集行程， 随后单线激光雷达纵向移动， 进行纵断面的采集行程， 获取梁桥梁底结构的横、 纵断面结构的序列激光 点云数据； 步骤三、 基于角度编码器和行程编码器记录的值对序列激光 点云进行初始对齐； 步骤四、 采用增量式带法向约束 的2D‑ICP算法对序列激光点云实现精确拼接， 得到表 现梁桥精确横、 纵断面的剖面 点云； 步骤五、 根据桥梁结构的类型、 梁片数、 跨径、 横隔板片数、 构建梁桥梁底结构标准参数 化剖面模型； 步骤六、 以剖面点云为基准， 对标准参数化剖面模型实行2D相似 匹配， 并对剖面模型进 行2D相似变换； 步骤七、 从变换后的标准参数化剖面中提取结构参数， 构建公路梁桥梁底结构轻量BIM 模型。 2.如权利要求1所述的梁桥梁底结构轻量BIM模型快速构建方法， 其特征在于， 所述步 骤二包括如下步骤： 将单线激光雷达通过伸展装置放置于梁桥底下， 单线激光雷达横向滑 动进行横断面采集行程， 单线激光雷达纵向移动纵断面采集行程， 以站点为单位控制单线 激光雷达移动， 行程编码器记录每个站点的位置， 在每个站点单线激光雷达的云台旋转获 取序列激光点云， 直到扫描完整个梁桥梁底横、 纵断面， 得到梁桥梁底结构的横、 纵断面结 构的序列激光 点云数据。 3.如权利要求1所述的梁桥梁底结构轻量BIM模型快速构建方法， 其特征在于， 所述步 骤四包括如下步骤： 4.1)以第一个站点采集的激光点云为源点云添加到Q向量中， 下一个站点采集的点云 为待匹配的目标点云P， 通过flann快速最近邻搜索匹配算法对源点云Q和目标点云P进 行匹 配， 得到每个目标点云Pi的n个最近邻匹配点的索引和距离， 进一步通过距离约束和法向约 束去除误匹配： 4.1.1)距离约束是设定最大误差距离阈值disT， 通过flann快速最近邻搜索匹配算法 匹配得到的目标点云Pi的n个最近邻匹配点的距离都需要满足小于disT的条件； 4.1.2)法向约束是以通过flann快速最近邻搜索匹配算法匹配得到 的目标点云Pi的n 个最近邻匹配点中距离最小的点作为候选的匹配点云Qj， 计算目标点云Pi法向矢量与候选 的匹配点云Qj法向矢量的点积MulR， 如果MulR>＝0， 则目标点云Pi与候选的匹配点云Qj满 足法向约束； 当且仅当距离约束和法向约束都满足的情况， 才认定目标点云Pi与源点云Qj 是匹配点云， 并保存匹配点云对应的索引； 4.2)通过步骤4.1)中找到的匹配点云计算变换矩阵， 变换矩阵包含旋转矩阵R和平移 矩阵T； 4.3)应用变换矩阵， 采用4.2)中求得的旋转矩阵R和平移矩阵T对目标点云P进行旋转 和平移变换， 得到新的点 集temp_P； 4.4)计算点集temp_P与候选的匹配点云Qj的平均距离d， 如果d小于给定的阈值或者迭 代次数大于预设的最大迭代次数， 则停止迭代计算， 否则返回4.2， 直到满足收敛 条件为止 。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114372303 A 24.5)步骤4.4)中满足收敛条件， 应用变换矩阵对目标点云P中的点云进行变换得到点 云P’， 把点云P’添加到Q点集中， 返回步骤4.1； 4.6)分别采用增量式带法向约束的2D ‑ICP算法拼接完成横向剖面采集的所有序列激 光点云数据和纵向剖面采集的所有序列激光点云数据， 得到梁桥梁底结构的横断面剖面点 云和纵断面剖面 点云。 4.如权利要求1所述的梁桥梁底结构轻量BIM模型快速构建方法， 其特征在于， 所述步 骤五中， 包括如下步骤： 5.1)根据梁结构类型选择对应的标准参数化模型默认参数和约束关系， 设置梁片数和 横隔板片数， 计算梁桥梁底结构标准 参数化剖面模型的关键点 坐标； 5.2)对两两相邻的关键点进行插值， 得到密集点构成的公路梁桥梁底结构标准参数化 剖面模型； 5.3)对关键点进行偏移， 得到对应的关键点法线上的点集， 对两两相邻的关键点法线 点集进行插值， 得到梁桥梁底结构标准 参数化剖面模型的法线点 集； 以剖面点云为基准， 对标准参数化剖面模型实行2D相似匹配， 并对剖面模型进行2D相 似变换， 得到精确的公路梁桥梁底结构轻量BIM模型。 5.如权利要求1所述的梁桥梁底结构轻量BIM模型快速构建方法， 其特征在于， 所述步 骤六包括如下步骤： 6.1)对拼接的梁桥梁底结构的横、 纵断面的剖面点云进行处理， 激光点云邻域内的点 集进行直线拟合， 计算激光点云对应的法线上 的点， 得到梁桥横纵断面剖面点云的法线点 集； 6.2)以剖面 点云为基准， 对标准 参数化剖面模型实行2D相似匹配； 6.3)判断是否满足匹配条件， 如果满足， 退出迭代， 否则， 对剖面模型进行2D相似变换； 根据水平扫描匹配计算的x坐标 的相似变换系 数和垂直扫描匹配计算的y坐标的相似变换 系数更新梁桥梁底结构标准 参数化剖面模型点 集和法线点 集的坐标， 再重复步骤6.2)； 退出迭代的条件为以下 条件中的一个： 1)水平扫描匹配中匹配点和垂直扫描匹配中匹配点之间的距离Dist小于设定阈值T， 且本次迭代计算的Dist与上次迭代计算的Dist误差小于设定阈值TEps； 2)迭代次数 大于设定的最大迭代次数。 6.4)更新梁桥梁底结构标准参数化剖面模型的关键点， 得到精准的公路梁桥梁底结构 标准参数化剖面模型。 6.如权利要求6所述的梁桥梁底结构轻量BIM模型快速构建方法， 其特征在于， 所述梁 桥梁底的剖面由水平， 垂直和倾斜的直线构成， 采用水平扫描匹配和垂 直扫描匹配， 所述步 骤6.2)包括如下步骤： 6.2.1)水平扫描匹配： 以最小的Y轴坐标为起始水平坐标Y， 获取[Y ‑n,Y+n]内的公路梁 桥梁底结构的横纵断面剖面点云作为目标点， 获取[Y ‑n,Y+n]内的公路梁桥梁底结构标准 参数化剖面模型点集作为待匹配点， 判断待匹配点与目标点是否匹配， 如果匹配， 存储对应 的索引号， 直到水平扫描完整个图像； n 为窗口大小， 即每次扫描的区域大小； 统计水平扫描匹配中匹配点对应点集的x坐标比值， 对x坐标比值进行排序， 取中值作 为公路梁桥梁底结构标准 参数化剖面模型点 集x坐标的相似变换系数；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114372303 A 3