精密三维重建在土木工程结构中的应用

来源：智榕旅游

技术探讨精密三维重建在土木工程结构中的应用于卓弘/贵港市江南中学　广西贵港　537100摘　要：精密三维重建所获取的高精度模型对土木工程结构研究有很大的帮助。按照一定规则拍摄获取的二维影像，可以经过严密射影几何等相关处理得到三维结构模型，并在传统的土木工程结构中具有重要的应用，包括结构试验、结构损伤识别和结构变形探测等。关键词：二维影像；三维重建；严密几何；土木工程；结构应用引言随着计算机视觉技术的快速发展，精密三维模型重建技术在土木工程行业的应用日趋广泛。在古建筑重建领域，高超[1]等研究了运用三维重建技术对古建筑进性精密的三维模型重建，实现对古建筑参数的量化，对制定相关保护方略具有重要的指导意义。不仅如此，精密三维重建技术还有更广泛的应用，其中之一包括在土木工程结构中的应用。通过获取高分辨率的二维影像，经过严密射影几何相关处理，进行三维重建结构三维模型，并进一步应用在土木工程结构试验、结构损伤识别和结构变形理解上去，大大缩减了工程的探测难度同时提高探测的精度，对土木工程行业信息化的发展起到了有力的推动作用。1基于影像的精密三维重建1.1特征提取影像特征提取过程中所涉及到的内容主要包括点特征提取，线特征提取和面特征提取三类，本文主要针对点特征提取进行论述。首先，图像灰度值发生剧烈变化的点或者在图像边缘上曲率较大的点（即两个边缘的交点）称之为特征点。影像特征点能够反映出影像的本质特征，用于标识影像中的目标对象。因此，三维重建的第一步就是从影像上探测和提取点特征。从不同角度对目标物体进行影像序列采集后，可以将每张影像的特征点进行提取，并为下一步的两两配对做准备。在提取特征时，可以选用其中一种运用比较广泛的SIFT（Scale󰀁Invariant󰀁Feature󰀁Transform）算子用于图像特征点的检测和匹配，该算子具有局部性、特殊性、多量行和高效性的尺度不变特征变换的特点[2]。其次，影像采集有一定规则。计算机的处理与我们人脑的处理有一定的区别，在多个图像中寻找到同名点是比较复杂的，这就对我们的影像采集有了一定的要求。为了使得从收集到的影像对形成的误差椭圆尽可能小，一般影像的两个同名点与目标物体会形成一个等边三角形，以保持良好的基高比。最后，影像重叠度有一定要求。要求进行过滤相邻影像图片的重叠率达百分之六十五以上，如图1两张图片中线框所框出影像的重叠部分。图1　影像重叠度（改自[1]）1.2立体匹配

立体匹配中的单位匹配对象就是匹配基元，也就是立体匹配中匹配特征对象。一般有以下几种：（1）点特征，例如像素点的灰度。（2）块特征，图像块也可以认为是图像区域。（3）线特征，最能够体现图像的纹理特征

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提取到的特征点除了上面提到的SIFT匹配方法外还有仿射不变性等匹配方法。然而误匹配在每一种图像的

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误差处理和粗差剔除。通常，为了使得匹配结果的精度较高，会采用相关系数阈值以及RANSAC算法进行剔除。除了点特征误差提取外，基于区域的立体匹配通常是在一个设定的窗口基础上来完成的，如Lazaros󰀁Nalpantidi等受到影响。[3]󰀁为提高匹配精度，以灰度、颜色为特征，将窗口内的点的空间距离加权、颜色加权和边缘加权。

一般来说，匹配的精度越高，窗口会越大其内的信息量会越多，这样会带来大量的计算，整体算法的运行速度会

1.3三维重建重建出的三维模型是以点云的形式展示的，有稀疏三维点云模型和密集三维点云模型。稀疏点云可以比较粗略的看出观察事物的外轮廓，而密集点云可以详细的把观察事物的三维模型展示出来，主要运用的方法是运动恢复结构（Structure󰀁from󰀁motion,SFM）和多视图立体匹配算法（multi-view󰀁stereo,MVS）。

其中三维重建又有严密几何重建和运动恢复重建两种说法。严密几何重建，事先先对位置，角度，拍摄进行严格的计算后，才开始图像的采集，这样重建出来的立体模型会与现实事物保持有一个极高的相似的，使得所建的模型更为精确。而运动恢复重建则是通过对同一地点的不同角度拍摄的相片进行处理，没有严格的角度，位置约束，使得重建会比较简便，但所得的结果一般会与显示事物有一定的不相符合的地方，所建模型的精确度是不如严密几何重建的。误差处理和粗差剔除。通常建筑物外观不规则且点云的数据精度较差，需要选取部分点云数据横截面拟合平面，在SketchUp软件中根据得到的对象参数使用绘图工具进行建模，如图2对塔尖模型的拟合平面及效果。图2　塔尖模型的拟合平面及效果（改自[1]）

2精密三维模型在土木结构中的应用2.1结构试验对于土木工程结构而言，结构的承载能力与破坏准则是结构设计和分析的基础。在面对难以测量和检测的结构问题时，以及对于需要了解大型土木工程结构而言，三维模型重建是一个很适用的方法。这项技术可以在不接触、不伤及被测物体的同时提取物体信息，将物体信息储存并重复使用，适用于具有大量测量点的结构物。

近景三维模型重建采用的非接触方式采集物体表面的物理信息，可以降低工作人员作业时的危险性同时对于工作人员难以到达的地方依然能够收集信息，具有传统测量方式难以实现的技术优势

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2.2结构损伤识别地震发生后，迫切需要对建筑物的破坏情况进行迅速和准确的分析，面对这样的突发现象，等待科研团队赶到现场自在时间上已经是来不及的了，加上现在智能手机的普及，人们可以很简单的对破损建筑物进行图像的拍摄以及上传至互联网，因此，基于二维图像的三维模型重建技术对于解决这类问题又有其独特的时间优势，更方便的是，所构建的三维模型可以直观的对建筑物损伤进行观察，并且可以通过与理想墙面进行比较，通过两者点距差距来分析墙体倾斜度等相关参数。[5]2.3结构变形探测一个建筑物使用长时间后，为了使结构能在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，需要对建筑物的服役情况、可靠性、耐久性、和承载能力进行智能评估。前面提到的不损伤建筑物也能收集建筑物物理信息的三维模型重建就是一个比较适用的方法，能够在所建立的模型中通过对比建筑物使用前后的点云图差异来探测结构变形。如图3是一个从（1）图像采集→（2）受力分析→（3）风险分布→（4）变形模拟，四部对桥面结构变形模拟的示意图。由无人机采集二维影像，建立起该桥的三维模型，并用基于Rhino的有限元分析插件Scan󰀁and󰀁Solve，对桥的撞击情况进行模拟。可以对桥受撞击情况进行模拟，虽然不能做为修复的直接依据，但其方便性及图像的直观表达可以对结构进行较为精确的分析。

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Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.技术探讨3结论与展望基于影像的精密三维模型重建，具有高精度高效率的特点，在传统土木工程结构中具有重要的应用价值，能够对结构试验、结构损伤识别和结构变形探测起到十分重要的作用。今后，精密三维重建在土木工程结构应用中将起到越来越有效的作用。因其可以通过单反照相机等图片获取途径来收集二维图像，再通过三维模型重建技术可以高效的完成对建筑物的结构探测使得三维模型重建在土木工程领域有很好的发展前景。但是由于该技术对图片的特征点采集和点云匹配上由于技术的还会存在一定的误差，仍需要一定的人力对误差进行剔除，希望未来技术的进步可以使三维模型重建技术能更为广泛地运用于土木工程领域。参考文献󰀡[1] 高超，王国利，李群，吴桂凯，危双丰. 基于多源数据的古塔三维精细化建模[J]. 工程勘察. 2018(4): 36-40.[2] 朱庆生，罗大江，葛亮，刘金凤. 基于多幅图像的三维重建[J]. 计算机工程与设计. 2010(10): 31.[3] 曹之乐，严中红，王洪. 双目立体视觉提配技术综述[J]. 重庆理工大学学报：自然科学版. 2015(2): 70.[4] 张浩鹏，魏全茂，张威，吴俊峰，姜志国. 基于序列图像的空间目标三维重建[J].北京航空航天大学报. 2016(2): 273-279.[5] 霍林生. 大数据时代结构工程发展新趋势的几点思考[A].土木建筑工程信息技术. 2016(5)：111-114.[6] 孙政，曹永康，张莹莹. 基于图像的三维重建再建筑遗产测绘中的应用[J]. 遗产与保护研究. 2018(1): 35-36.[7] 姜腾蛟，唐亮，周志祥，尚刚. 近景摄影三维重建在结构实验中的应用[J]. 实验室研究与探索. 2016(11): 26-30.图3　桥的撞击模拟（改自[6]）（上接第99页）得到有效水花，避免由于干燥、寒冷而导致水泥出现裂缝以及老化等现象，所以其发挥了非常重要的作用。通常情况下，混凝土养护技术主要有如下两种：第一，保持混凝土的温度；第二保持混凝土的湿度。在保持温度时，往往是采取建设保温棚或是将保温物质铺在混凝土表面的方法；在保持湿度时，主要是将水泥与水预拌混凝土7h，将缓凝剂添加其中，随后采取麻袋、草帘以及塑料保鲜膜等进行覆盖。在具体养护过程中务必要重视覆盖塑料膜以及浇水频率。结语总而言之，在开展水利水电工程混凝土施工技术过程中，相关工作人员应当要能够正确认识混凝土施工现状，且务必要掌握其术应用的具体原则，并能够在实际应用过程中正确掌握其混凝土施工技术，在根本上提高整体工程混凝土施工质量，推动水利水电工程的健康长久发展。参考文献󰀡[1]程艳丽. 水利工程冬季混凝土施工技术若干思考[J]. 科技创新与应用, 2016(16):222-222.[2]伍捷. 水利工程混凝土施工技术与质量控制策略分析[J]. 山东工业技术, 2016(13):115-115.[3]贺天强. 水利工程混凝土施工技术及其质量控制分析[J]. 黑龙江水利科技, 2016, 44(10):111-112.[4]李元发. 水利工程冬季混凝土施工技术若干思考[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2016(5).[5]李宝珠. 水利水电工程混凝土施工技术研究[J]. 工程技术:全文版, 2016(9):00092-00092.[6]杨磊. 对水利水电工程混凝土施工技术的分析与研究[J]. 城市建设理论研究(电子版), 2017(22).

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