融合激光雷达与无人机的特大钢结构高精度测量

郭明; 孙梦溪; 黄明; 闫冰男; 周玉泉; 赵有山

doi:10.37188/OPE.20212905.0989

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融合激光雷达与无人机的特大钢结构高精度测量

现代应用光学 | 更新时间：2021-06-21

- 融合激光雷达与无人机的特大钢结构高精度测量
- High-precision measurement of steel structure based on LiDAR and UAV
- 光学精密工程 2021年29卷第5期页码：989-998
- 作者机构：
  
  1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 100044
  2.代表性建筑与古建筑数据库教育部工程研究中心，北京 102616
  3.自然资源部城市空间信息重点实验室，北京 102616
  4.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013
- 作者简介：
  
  [ "郭　明（1981-），男，湖北黄陂人，博士，教授，2004年于江汉大学获得学士学位，2008年于北京建筑工程学院获得硕士学位，2011年于武汉大学获得博士学位，主要从事激光雷达技术应用及三维地理信息系统的研究。E-mail: guoming@bucea.edu.cn" ]
  [ "赵有山（1982-），男，河南南阳人，博士研究生，副研究员，2008年于北京建筑大学获得硕士学位，主要从事建筑工程结构安全鉴定和工程防灾减灾的研究。E-mail：yshzhao@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(41971350);北京建筑大学金字塔人才培养工程建大杰青培养计划资助项目(JDJQ20200307);北京市未来城市设计高精尖创新中心资助项目(UDC2019031724);研究生创新项目(PG2020082;PG2020075)
- DOI：10.37188/OPE.20212905.0989
  中图分类号： P225.2;P234.1
- 收稿日期：2020-09-01，
  
  修回日期：2020-10-29，
  
  纸质出版日期：2021-05-15
- 稿件说明：
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郭明,孙梦溪,黄明等.融合激光雷达与无人机的特大钢结构高精度测量[J].光学精密工程,2021,29(05):989-998.

GUO Ming,SUN Meng-xi,HUANG Ming,et al.High-precision measurement of steel structure based on LiDAR and UAV[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(05):989-998.
郭明,孙梦溪,黄明等.融合激光雷达与无人机的特大钢结构高精度测量[J].光学精密工程,2021,29(05):989-998. DOI： 10.37188/OPE.20212905.0989.

GUO Ming,SUN Meng-xi,HUANG Ming,et al.High-precision measurement of steel structure based on LiDAR and UAV[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(05):989-998. DOI： 10.37188/OPE.20212905.0989.

摘要

为了实现对特大钢结构的高效率、高精度检测，对地面激光点云整体配准算法以及无人机多视影像生成密集点云算法进行了研究。采用基于几何特征的可迭代整体配准算法不断对观测值进行约束定权和解算，将观测值改正数误差控制在一定阈值范围内，直到完成配准，生成整个网架结构的激光雷达点云模型。以球节点多连杆中心点算法对网架结构中的球结点与柱进行偏心计算，再使用基于视觉运动恢复结构算法以及改进的RANSAC算法生成的影像密集点云，通过配准实现地面激光点云和高分辨率非量测影像数据的融合。以某亚洲最大跨钢结构高精度检测为例，多站激光雷达点云整体的配准精度为5 mm，抽检的21根钢柱里16根柱子的偏差接近或大于35 mm（32.1~68.2 mm，方向均向外），整体钢结构的网架挠度均小于1/250。由此表明，地面激光点云整体配准算法以及高分辨率非量测影像数据密集点云生成算法可行且准确，能够满足特大钢结构的高精度检测要求。

Abstract

To achieve high-efficiency and high-precision detection of super-large steel structures， this study investigates the overall registration algorithm for ground laser point clouds and the algorithm to generate dense point clouds from unmanned aerial vehicle multi-view images. First， the iterative global registration algorithm based on geometric features is used to weigh and solve the observed value constraints continuously. The error of the observed value corrections is controlled within a certain threshold range until the registration is complete and the LiDAR point cloud model of the entire grid structure is generated. Subsequently， the eccentricity between the spherical node and the column in the grid structure is calculated using the spherical node multi-link center point algorithm. The image dense point cloud generated using the visual structure from motion algorithm and improved RANSAC algorithm is used to realize fusion of the ground laser point cloud and high-resolution non-metric image data through registration. With the high-precision inspection of the largest-span steel structure in Asia taken as an example， the overall registration accuracy of the multi-station LiDAR point cloud is 5 mm， and the deviation of 16 of the 21 steel columns sampled is close to or greater than 35 mm （32.1-68.2 mm， all in the outward direction）. Notably， the deflection of the overall steel structure grid is less than 1/250. The feasibility and accuracy of the entire registration algorithm for the ground LiDAR point cloud and the algorithm for generating high-resolution non-measurement image data-intensive point clouds are verified to fully meet the requirements of high-precision detection of super-large steel structures.

关键词

Keywords

references

焦嘉琦 . 《与文物对话》——从文物原形到文物仿真到文物保护——生死抉择［A］// 北京市科学技术协会、北京工艺美术学会、北京市文物保护协会. 面向2049年北京的文物保护及其现代化管理学术论文集［C］. 北京市科学技术协会、北京工艺美术学会、北京市文物保护协会.北京：北京市文物保护协会， 2000 .

JIAO J Q . " Dialogue with Cultural Relics " —— From Cultural Relics Prototype to Cultural Relics Simulation to Cultural Relics Protection —— Choice between Life and Death ［A］// Beijing Science and Technology Association， Beijing Arts and Crafts Society， Beijing Cultural Relics Protection Association. Academic Papers on Cultural Relics Protection and Modern Management Facing Beijing in 2049 ［C］. Beijing Science and Technology Association， Beijing Arts and Crafts Society， Beijing Cultural Relics Protection Association ， 2000 . （in Chinese）

王晏民，郭明，王国利，等 . 利用激光雷达技术制作古建筑正射影像图［J］. 北京建筑工程学院学报， 2006 ， 22 （ 4 ）： 19 - 22 .

WANG Y M ， GUO M ， WANG G L ， et al . Making orthographic images of ancient architecture with LIDAR technique ［J］. Journal of Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture ， 2006 ， 22 （ 4 ）： 19 - 22 . （in Chinese）

高梓成，王国利，郭明 . 激光雷达技术在建筑垃圾土方量估算的应用［J］. 科学技术创新， 2019 （ 1 ）： 110 - 111 .

GAO Z CH ， WANG G L ， GUO M . Application of lidar technology in earthwork estimation of construction waste ［J］. Scientific and Technological Innovation ， 2019 （ 1 ）： 110 - 111 . （in Chinese）

王张飞，刘春阳，隋新，等 . 基于深度投影的三维点云目标分割和碰撞检测［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 7 ）： 1600 - 1608 .

WANG ZH F ， LIU CH Y ， SUI X ， et al . Three-dimensional point cloud object segmentation and collision detection based on depth projection ［J］. Opt.Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 7 ）： 1600 - 1608 . （in Chinese）

丁艺杰 . 某大跨度钢结构施工过程模拟与监测研究［D］. 西安：西安建筑科技大学， 2018 .

DING Y J . Simulation Analysis and Monitoring Research of Large-span Steel Structure in Construction Process ［D］. Xi'an ： Xi'an University of Architecture and Technology ， 2018 . （in Chinese）

赵太飞，郭嘉文，李晗辰，等 . 无人机航迹中电力线电晕紫外探测与定位［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 2 ）： 309 - 315 .

ZHAO T F ， GUO J W ， LI H CH ， et al . Ultraviolet detection and location of power line corona in UAV track ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 2 ）： 309 - 315 . （in Chinese）

GUO M ， ZHAO Y S ， PAN D ， et al . Key technology of overall structure monitoring of super-huge and profiled steel structure based on FEA simulation and LIDAR ［J］. Information Technology Journal ， 2013 ， 12 （ 18 ）： 4576 - 4581 .

TRAN T T ， CAO V T ， LAURENDEAU D . Extraction of cylinders and estimation of their parameters from point clouds ［J］. Computers & Graphics ， 2015 ， 46 ： 345 - 357 .

赵有山，郭明，段向胜 . 大跨钢结构施工过程整体变形监测技术研究［J］. 工程质量， 2014 ， 32 （ 1 ）： 3 - 7 .

ZHAO Y SH ， GUO M ， DUAN X SH . The monitoring technology research on overall deformation of the construction process of large span steel structure ［J］. Construction Quality ， 2014 ， 32 （ 1 ）： 3 - 7 . （in Chinese）

王国利，王晏民，郭明 . 基于平面特征的箱型钢结构点云角点自动提取［J］. 工程勘察， 2016 ， 44 （ 10 ）： 43 - 46 .

WANG G L ， WANG Y M ， GUO M . Automatic extraction of corner points from box-steel-structure point clouds based on plane features ［J］. Geotechnical Investigation & Surveying ， 2016 ， 44 （ 10 ）： 43 - 46 . （in Chinese）

李平 . 地面三维激光点云数据处理及模型构建［D］. 成都：成都理工大学， 2017 .

LI P . Data Processing and Model Building of Ground 3 D Laser Point Cloud ［D］. Chengdu ： Chengdu University of Technology ， 2017 . （in Chinese）

王晏民，王国利 . 地面激光雷达用于大型钢结构建筑施工监测与质量检测［J］. 测绘通报， 2013 （ 7 ）： 39 - 42 .

WANG Y M ， WANG G L . Quality monitoring of large-scale steel buildings using terrestrial LiDAR technology ［J］. Bulletin of Surveying and Mapping ， 2013 （ 7 ）： 39 - 42 . （in Chinese）

李少博 . 非接触式球坐标精密球度测量误差分析与补偿技术研究［D］. 北京：中国工程物理研究院， 2018 .

LI SH B . Research on Error Analysis and Compensation Technology of Non-contact Spherical Coordinate ［D］. Beijing ： China Academy of Engineering Physics ， 2018 . （in Chinese）

SON H ， KIM C ， KIM C . Fully automated as-built 3D pipeline extraction method from laser-scanned data based on curvature computation ［J］. Journal of Computing in Civil Engineering ， 2015 ， 29 （ 4 ）： 1943 - 5487 .

王永波，汪云甲，韩新哲，等 . 点线特征约束下基于单位四元数描述的LiDAR点云配准算法［J］. 中国矿业大学学报， 2018 ， 47 （ 3 ）： 671 - 677 .

WANG Y B ， WANG Y J ， HAN X ZH ， et al . A unit quaternion based， point-linear feature constrained registration approach for terrestrial LiDAR point clouds ［J］. Journal of China University of Mining & Technology ， 2018 ， 47 （ 3 ）： 671 - 677 . （in Chinese）

MENG J G ， LI J L ， GAO X R . An accelerated ICP registration algorithm for 3D point cloud data ［J］. SPIE ， 10839 ， 2019， 1083 ： 1083904 .

汪奇生，杨根新 . 附不等式约束的总体最小二乘迭代算法［J］. 大地测量与地球动力学， 2016 ， 36 （ 12 ）： 1100 - 1104 .

WANG Q SH ， YANG G X . Iteration algorithm of total least squares with inequality constraints ［J］. Journal of Geodesy and Geodynamics ， 2016 ， 36 （ 12 ）： 1100 - 1104 . （in Chinese）

刘继庚 . 地面三维激光扫描点云数据自动配准算法及建模研究［D］. 贵阳：贵州大学， 2018 .

LIU J G . Research on Automatic Registration Algorithm and Modeling of Terrestrial 3 D Laser Scanning ［D］. Guiyang ： Guizhou University ， 2018 . （in Chinese）

盛业华，张卡，张凯，等 . 地面三维激光扫描点云的多站数据无缝拼接［J］. 中国矿业大学学报， 2010 ， 39 （ 2 ）： 233 - 237 .

SHENG Y H ， ZHANG K ， ZHANG K ， et al . Seamless multi station merging of terrestrial laser scanned 3D point clouds ［J］. Journal of China University of Mining & Technology ， 2010 ， 39 （ 2 ）： 233 - 237 . （in Chinese）

张卡，盛业华，付素霞，等 . 基于物方定位一致性约束的光学航空影像多视铅垂线轨迹匹配［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 7 ）： 1784 - 1793 .

ZHANG K ， SHENG Y H ， FU S X ， et al . Multi-view VLL matching algorithm for optical aerial images based on constraint of object space positioning consistency ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 7 ）： 1784 - 1793 . （in Chinese）

李欣庆，袁秀忠，魏星 . 无人机倾斜摄影测量在河道凌情监测中的应用［J］. 人民黄河， 2020 ， 42 （ S1 ）： 159 - 161 .

LI X Q ， YUAN X ZH ， WEI X . Application of UAV tilt photogrammetry in river flood monitoring ［J］. Yellow River ， 2020 ， 42 （ S1 ）： 159 - 161 . （in Chinese）

冯凯 . 输电线路采用多旋翼无人机精细化巡检方法探讨［J］. 海峡科技与产业， 2018 （ 7 ）： 13 - 15 .

FENG K . Discussion on the refined inspection method of multi-rotor UAV for transmission lines ［J］. Technology and Industry Across the Straits ， 2018 （ 7 ）： 13 - 15 . （in Chinese）

阳军生，张宇，祝志恒，等 . 基于图像三维重建的隧道超欠挖检测方法研究［J］. 中南大学学报：自然科学版， 2020 ， 51 （ 3 ）： 714 - 723 .

YANG J SH ， ZHANG Y ， ZHU ZH H ， et al . Study on tunnel under-over break detection method based on three-dimensional image reconstruction technology ［J］. Journal of Central South University： Science and Technology ， 2020 ， 51 （ 3 ）： 714 - 723 . （in Chinese）

PENG J Q ， XU W F ， YAN L ， et al . A pose measurement method of a space noncooperative target based on maximum outer contour recognition ［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems ， 2020 ， 56 （ 1 ）： 512 - 526 .

CHAE H W ， YU H ， SONG J B . Onboard real-time object surface recognition for a small indoor mobile platform based on surface component ratio histogram ［J］. International Journal of Control ， Automation and Systems， 2019 ， 17 （ 3 ）： 765 - 772 .

MALI V K ， KUIRY S N . Assessing the accuracy of high-resolution topographic data generated using freely available packages based on SfM-MVS approach ［J］. Measurement ， 2018 ， 124 ： 338 - 350 .

FEURER D ， VINATIER F . Joining multi-epoch archival aerial images in a single SfM block allows 3-D change detection with almost exclusively image information ［J］. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing ， 2018 ， 146 ： 495 - 506 .

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