一种用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型构建方法

技术领域

本发明涉及水泥混凝土路面维修技术领域，特别是涉及一种用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型构建方法。

背景技术

针对于目前水泥混凝土路面的结构设计而言，路面是由多个路面板块组成，通过预制预留坑，将路面板块置于预留坑之上，通过灌浆排空，实现水泥混凝土路面的铺设工作，由于路面使用频繁，加之受环境因素影响，长时间使用后路面容易出现破损，需要对破碎的混凝土路面板块进行维修，现有的维修方式为直接将路面板块捣碎，这样的话会直接降低了路面板块材料的重复利用率，且施工效率低，根据这种情况，现有技术中采用预制模具根据破损的水泥混凝土路面板块尺寸，制作大小完全相同的面板，采用切割方式将破损的路面板块整块取出，进行更换，在制作面板前需要确定实际的破损路面板块尺寸大小，由于实际施工原因，现使用的路面板块尺寸与原始预留资料中的记载尺寸必然存在差异，这样就需要重新测量破损路面板块的尺寸，目前一般都是直接将破损路面板块取出后再进行测量，这样一方面浪费了部分施工时间，另一方面取出破损路面板块时容易对其造成二次损伤，进而影响测量精度，也就无法得到准确的尺寸数据去预制面板，因此目前亟需一种对破损路面板块构建三维模型的方法，实现在无损路面板块的情况下得到路面板块的准确尺寸信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型构建方法，以解决上述现有技术存在的问题，使本发明在无损路面板块的情况下得到路面板块的准确尺寸信息，便于得到制备预制面板的精确尺寸。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型构建方法，铺设路面板块前，在预留坑内布置接收信号设备，所述接收信号设备固定在路面板块底面，更换路面板块前，对路面板块的尺寸进行无损测量并模拟构建路面板块的三维模型；

上述模拟构建路面板块三维模型的方法包括：

步骤a：采用全反射法无损测量，获取路面板块的厚度尺寸；

步骤b：扫描路面板块的表面，获取路面板块的长度及宽度尺寸；

步骤c：根据获取路面板块的长度、宽度及厚度的尺寸数据，确定构建三维模型的空间范围，根据所述三维模型的空间范围，将上述尺寸数据通过点云编辑集成为若干组三维点云数据；

步骤d：对三维点云数据进行处理，得到点云中的平面；

步骤e：检测并提取平面点云的边界，同时构建路面板块表面重复单元模板；

步骤f：对重复单元模板组合并对齐，并预测重复单元各个实施所在位置；

步骤g：将重复单元模板自动拷贝到预测的各个实例所在位置，利用提取的平面点云边界对模板进行几何变换，对各个实例进行拟合和精确定位，构建出路面板块的三维模型。

优选的，所述步骤a中的采用全反射法无损测量，具体为在路面板块两端外置两组对称设置的信号收发设备，任一所述信号收发设备利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式经过地下预留坑内的接收信号设备反射后返回地面，通过另一个信号收发设备所接收，脉冲波行程需时的计算公式为：

t＝(4Z2+X2)1/2/v(a)；

上述公式(a)中，t为脉冲波行程需时，Z为路面板块的厚度，X为两组所述信号收发设备之间的距离，v为波速；

其中，v值采用宽角方式直接测量，X值是固定的已知间距，t值通过两个信号收发设备接收信号时长可知，进而通过公式(a)计算得到Z值。

优选的，所述信号收发设备对脉冲波的波形通过图像进行记录，其中信号收发设备包括雷达，对波形图像各点以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面图像，并对雷达剖面图像做偏移处理。

优选的，所述步骤c与所述步骤d之间，对各组三维点云数据进行拼接，而后分割为若干空间，每个空间中包括路面板块的一块区域，并且对该空间内的三维点云数据进行去噪处理，在数据库中搜寻形变模型数据，比对去噪处理后的三维点云数据，对该形变模型数据进行迭合与形变处理，构建补偿模板三维模型数据，并通过所述补偿模板三维模型数据对所述步骤d中得到的点云中的平面校正。

优选的，保存空间内去噪后的三维点云数据与数据库中各个三维点云数据模型的相似度。

优选的，所述步骤d中，基于得到点云中的平面，查找平面内各组三维点云数据对应的邻近点集，并基于所述邻近点集确定各组三维点云数据分别对应的法向量。

一种用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型的构建装置，包括四根定位柱，四根所述定位柱均布于所述路面板块四周，且相邻的所述定位柱之间均固定有围栏，位于道路同侧的两个所述定位柱之间设有第一丝杠滑台，所述第一丝杠滑台的滑台端上固定有角度调节器，所述角度调节器上设有信号收发设备，所述预留坑内设有接收信号设备，任一个所述第一丝杠滑台的滑台端设有成像器件，所述信号收发设备与所述成像器件均信号连接有三维模型构建系统；

所述定位柱上固定有第二丝杠滑台，所述第一丝杠滑台固定在两个所述第二丝杠滑台的滑台端之间；

所述接收信号设备位于路面板块与预留坑内的混凝土交界面之间。

优选的，所述三维模型构建系统包括点云编辑单元，所述点云编辑单元电性连接有拼接模块，所述拼接模块电性连接有分割模块，所述分割模块电性连接有去噪模块，所述去噪模块电性连接有匹配模块，所述匹配模块电性连接有数据处理单元，所述数据处理单元电性连接有模板建立单元，所述模板建立单元电性连接有模板处理单元，所述模板处理单元电性连接有重复单元定位模块，所述重复单元定位模块电性连接有输出单元。

优选的，所述信号收发设备包括雷达，所述雷达电性连接有数据采集单元，所述雷达与所述数据采集单元之间电性连接有图像处理单元，所述数据采集单元电性连接有计算单元的输入端，所述计算单元的输出端与所述点云编辑单元电性连接，所述计算单元的输入端电性连接有数据转换单元，所述数据转换单元电性连接所述成像器件。

优选的，所述匹配模块电性连接数据库，所述数据库与所述匹配模块之间电性连接有比较单元。

本发明公开了以下技术效果：本发明通过脉冲波全反射法能够对路面板块尺寸的厚度进行无损测量，集成扫描路面板块表面长、宽尺寸，编辑尺寸数据并集成为三维点云数据，并生成点云中的平面，根据路面板块表面具有重复单元的特点，构建重复单元模板，预测重复单元各个实施所在位置，将重复单元模板自动拷贝到预测的各个实例所在位置，利用提取的平面点云边界对模板进行几何变换，对各个实例进行拟合和精确定位，极大地减小了重建过程中的搜索范围，降低重建工作量，使得路面板块构建模型的精度和速度得到极大地提升，节约了成本，同时使用本方法能够在无损路面板块的情况下得到路面板块的准确尺寸信息，便于得到制备预制面板的精确尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型的构建装置使用状态下的主视图；

图2为本发明用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型的构建装置使用状态下的俯视图；

图3为本发明用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型的构建装置的原理图；

图4为本发明路面板块厚度无损测量原理图；

其中，1为路面板块，2为预留坑，3为定位柱，4为雷达，5为成像器件，6为接收信号设备，7为围栏，8为第一丝杠滑台，9为角度调节器，10为第二丝杠滑台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-4，本发明提供一种用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型构建方法，铺设路面板块1前，在预留坑2内布置接收信号设备6，所述接收信号设备6固定在路面板块1底面，每个路面板块1下都有预留的接收信号设备6，以备后续进行无损测量工作；

更换路面板块1前，对路面板块1的尺寸进行无损测量并模拟构建路面板块1的三维模型；上述模拟构建路面板块1三维模型的方法包括：

步骤a：采用脉冲波全反射法无损测量，获取路面板块1的厚度尺寸；

步骤b：扫描路面板块1的表面，获取路面板块1的长度及宽度尺寸；

步骤c：根据获取路面板块1的长度、宽度及厚度的尺寸数据，确定构建三维模型的空间范围，根据所述三维模型的空间范围，将上述尺寸数据通过点云编辑集成为若干组三维点云数据；

步骤d：对三维点云数据进行处理，得到点云中的平面；

步骤e：检测并提取平面点云的边界，同时构建路面板块1表面重复单元模板；

步骤f：对重复单元模板组合并对齐，并预测重复单元各个实施所在位置；

步骤g：将重复单元模板自动拷贝到预测的各个实例所在位置，利用提取的平面点云边界对模板进行几何变换，对各个实例进行拟合和精确定位，构建出路面板块1的三维模型。

进一步优化方案，所述步骤a中的采用全反射法无损测量，具体为在路面板块1两端外置两组对称设置的信号收发设备，任一所述信号收发设备利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式经过地下预留坑2内的接收信号设备6反射后返回地面，通过另一个信号收发设备所接收，脉冲波行程需时的计算公式为：t＝4Z

上述公式a中，t为脉冲波行程需时，Z为路面板块1的厚度，X为两组所述信号收发设备之间的距离，v为波速；

其中，v值采用宽角方式直接测量，X值是固定的已知间距，t值通过两个信号收发设备接收信号时长可知，进而通过公式a计算得到Z值。

所述信号收发设备对脉冲波的波形通过图像进行记录，其中信号收发设备包括雷达4，对波形图像各点以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达4剖面图像，并对雷达4剖面图像做偏移处理。

路面板块1最难测量的尺寸为厚度，初始记载的路面板块1尺寸的长宽厚尺寸为5m×5m×50cm，但实际施工过程中，制备的路面板块1尺寸与原始预定尺寸必然存在差距，因此需要对实际的路面板块1尺寸进一步测量，测量厚度尺寸时，利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由地面通过任一个雷达4送入地下，经过至接收信号设备6时，由于接收信号设备6置于路面板块1及预留坑2的土层之间，基于脉冲波入射到两种不同介质的交界面上发生反射的原理，使得脉冲波入射到接收信号设备6时发生反射现象，并经由另一个雷达4接收反射的脉冲波，接收信号设备6优选为脉冲波传感器，用于检测脉冲波是否经此处时发生反射，并上传至图像输出设备，进行监控。

雷达4产生的图像常以脉冲反射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑白色表示，或者以灰阶或彩色表示，这样同相轴或等灰度、等色线即可形象的表征地下反射面，由于雷达4剖面存在反射波偏移与绕射波归位的问题，因此雷达图形需要做相应的偏移处理。

进一步优化方案，所述步骤c与所述步骤d之间，对各组三维点云数据进行拼接，而后分割为若干空间，每个空间中包括路面板块1的一块区域，并且对该空间内的三维点云数据进行去噪处理，在数据库中搜寻形变模型数据，比对去噪处理后的三维点云数据，对该形变模型数据进行迭合与形变处理，构建补偿模板三维模型数据，并通过所述补偿模板三维模型数据对所述步骤d中得到的点云中的平面校正，具体的，采用三维点云数据与形变模型数据进行迭合与形变处理，先进行对准，三维点云数据通过迭代最近点(IterativeClosest Point，ICP)算法进行粗略对准，找出三维点云数据与形变模型数据两者对应特征点，通过对应特征点进行对准，使得三维点云数据与形变模型数据两者对应特征点，通过特征点进行对准，能够使三维点云数据的坐标与方位可与形变模型数据的坐标与方位一致，其中三维点云数据可以提供待测物体的三维空间坐标数据，进而实现对准工作，并且在构建补偿模板三维模型数据过程中，需要选取数据的多个关键点，可以使用三维关键点(Keypoints)选取的算法，诸如ISS、NARF、uniform、sampling等算法，筛选三维点云数据与形变模型数据的关键点，通过选取的关键点进而使得形变模型数据产生形变，成功构建补偿模板三维模型数据。

进一步优化方案，保存空间内去噪后的三维点云数据与数据库中各个三维点云数据模型的相似度，将数据信息上传至数据库，同时基于卷积神经网络建立训练集，更新数据库中记载的原始三维点云数据，辅助施工人员采用数据库中记载的用于实际施工中的路面板块1尺寸进行预制。

进一步优化方案，所述步骤d中，基于得到点云中的平面，查找平面内各组三维点云数据对应的邻近点集，并基于所述邻近点集确定各组三维点云数据分别对应的法向量，确定各三维点云数据在点云中的平面的位置关系，从而可以在点云中的平面上快速查找到各个三维点云数据分别对应的邻近点集，即通过在点云中的平面中进行近邻查找，可以有效地提高邻近点的查找效率，从而可以提高三维点云数据中各法向量的计算效率。

一种用于在役水泥混凝土铺面板无损三维模型的构建装置，包括四根定位柱3，四根所述定位柱3均布于所述路面板块1四周，且相邻的所述定位柱3之间均固定有围栏7，位于道路同侧的两个所述定位柱3之间设有第一丝杠滑台8，所述第一丝杠滑台8的滑台端上固定有角度调节器9，所述角度调节器9上设有信号收发设备，所述预留坑2内设有接收信号设备6，任一个所述第一丝杠滑台3的滑台端设有成像器件5，成像器件5优选为照相机，所述信号收发设备与所述成像器件5均信号连接有三维模型构建系统；

所述定位柱3上固定有第二丝杠滑台10，所述第一丝杠滑台8固定在两个所述第二丝杠滑台10的滑台端之间；

所述接收信号设备6位于路面板块1与预留坑2内的混凝土交界面之间；

使用时，通过两个相对的雷达4采用全反射法无损测量路面板块1的厚度，首先均布定位柱3，在通过围栏7将定位柱3围起来，围成的区域大于路面板块1的面积，由两个第一丝杠滑台8同步带动两个雷达4行进，行进过程中通过第二丝杠滑台10调整两个雷达4的相对高度，角度调节器9调整两个雷达4的反射角度，直至第一丝杠滑台8带动雷达4沿首端移动到尾端，保证整个过程中对路面板块1的各位置厚度进行无损扫描检测，利用如图3所示原理，对路面板块1厚度进行检测，得到厚度尺寸，行进过程中成像器件5对路面板块1进行拍摄录像，进而能够得到路面板块1的长度及宽度尺寸。

所述接收信号设备6位于路面板块1与预留坑2内的混凝土交界面之间，基于脉冲波入射到两种不同介质的交界面上发生反射的原理，使得脉冲波入射到接收信号设备6时发生反射现象。

进一步优化方案，所述三维模型构建系统包括点云编辑单元，用于将路面板块1的长宽厚尺寸数据通过点云编辑集成为若干组三维点云数据；

所述点云编辑单元电性连接有拼接模块，用于对各组三维点云数据进行拼接；

所述拼接模块电性连接有分割模块，用于将拼接后的三维点云数据分割为若干空间，每个空间中包括路面板块1的一块区域；

所述分割模块电性连接有去噪模块，用于对该空间内的三维点云数据进行去噪处理；

所述去噪模块电性连接有匹配模块，用于在数据库中搜寻形变模型数据，比对去噪处理后的三维点云数据，对该形变模型数据进行迭合与形变处理，构建补偿模板三维模型数据；

所述匹配模块电性连接有数据处理单元，所述匹配模块电性连接数据库，所述数据库与所述匹配模块之间电性连接有比较单元，用于通过所述补偿模板三维模型数据对所述步骤d中得到的点云中的平面校正；

所述数据处理单元电性连接有模板建立单元，用于构建路面板块1表面重复单元模板，对重复单元模板组合并对齐，并预测重复单元各个实施所在位置；

所述模板建立单元电性连接有模板处理单元，所述模板处理单元电性连接有重复单元定位模块，用于将重复单元模板自动拷贝到预测的各个实例所在位置，利用提取的平面点云边界对模板进行几何变换，对各个实例进行拟合和精确定位；

所述重复单元定位模块电性连接有输出单元，用于构建出路面板块1的三维模型。

进一步优化方案，所述信号收发设备包括雷达4，雷达4采用RIS-2K型地质雷达，所述雷达4电性连接有数据采集单元，由于地下介质层级复杂，相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性，会导致脉冲波到达接收天线时，波幅被减小，波形与原始发射波形存在较大的差别，因此为排出各种随机噪声和干扰波，需要采用数据采集单元对采集数据进行数字处理，主要是对所记录的波形进行处理，取多次重复测量的平均值，以抑制随机噪声，取临近的不同位置多次测量平均，以压低非目的体杂乱，保证测量结果的准确性。

所述雷达4与所述数据采集单元之间电性连接有图像处理单元，图像处理单元对雷达4剖面图像做偏移处理。

所述数据采集单元电性连接有计算单元的输入端，所述计算单元的输出端与所述点云编辑单元电性连接，所述计算单元的输入端电性连接有数据转换单元，所述数据转换单元电性连接所述成像器件5，成像器件5输出路面板块1表面图像至数据转换单元，通过数据转换单元将表面图像尺寸数据进行提取，同时输入至计算单元，计算单元依据公式(1)计算厚度，并将路面板块的长宽厚度尺寸输送至点云编辑单元，路面板块1的长宽厚尺寸数据通过点云编辑集成为若干组三维点云数据。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。