一种用于建筑遗产数字化记录的柱网的自动求解方法

1.本发明主要涉及建筑遗产测绘的数字化记录技术领域，具体涉及一种基于有限元分析模型的利用遗传算法进行自动求解的工作流。


背景技术：

2.在建筑遗产测绘时，需要将采集到的数据进行数字化记录，包括建模和信息管理两方面内容。中国古建筑大多采用木柱承重，在进行现场勘察时往往存在柱根位移的情况，柱根的平面位置会沿着轴线随机分布，难以判断原始柱网的尺寸。如果柱的平面位置是随机分布的，那么梁、枋、檩的位置也会跟着随机分布，即“柱不正则梁歪，梁歪则檩斜”，整栋建筑的模型就会是一个不规则的模型，无法有效地进行数字化记录。
3.传统的数字化记录方式，是从测绘图出发，从二维到三维，绘制二维图的人往往不考虑三维模型，导致根据二维图进行三维建模时，许多节点都难以重合，存在偏差的问题。而柱网是所有建筑构件定位的基准，更需要科学合理的确定。传统的人工判别方式，不可追溯、不可复现，“一千次绘图产生一千种结果”，当涉及到多任务求解时，只能保证一个目标的合理，而难以估计其他目标。即，沿一条线随机分布的柱，可以通过求平均值的方式手动计算求解得出新的轴线；但全部柱同时计算求解出建筑的全部轴线，也就是柱网，用手动计算的方式是不可能完成的。因为需要多次迭代计算，将上一次计算得到的轴线作为已知量重新带入计算，重新修正结果，然后重复这个过程达到上千次或更多。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于建筑遗产数字化记录的柱网的自动求解方法，本发明可以根据测绘过程中获取的不规则柱网的点云数据，自动生成规则化的柱网，并根据预期目标进行优化；本发明提出新的工作流，即构建有限元分析模型，并采用遗传算法，自动进行多任务求解，只需要几分钟即可得到规则化的柱网，并且可以实时分析结果，如新旧轴网之间的平均偏移量、偏移量的极值分布，从而判断是否有数据缺失或数据偏差过大的情况，然后剔除不参与计算的柱的数据，进一步优化计算。
5.本发明采用如下技术方案实施：
6.一种用于建筑遗产数字化记录的柱网的自动求解方法，所述柱网的自动求解方法是基于有限元分析模型，将不规则的柱网自动转换成规则的柱网，使其满足预期目标，所述有限元分析模型采用如下步骤构建：
7.s1、利用三维激光对建筑进行扫描获得现状点云数据；
8.s2、根据现状点云数据进行柱网中柱体切片拟合获现状质心，即坐标为c0(x0,y0)；
9.s3、通过未知量的数值模块计算柱网内所有轴线的交点建立重建质心，即坐标为c1(x1,y1)；
10.s4、计算重建质心和现状质心距离的高斯和；
11.s5、自定义重建质心和现状质心之间平均偏移距离的临界值e；
12.梁、檩条长度允许误差e1为：
±
1/2000，将梁的最大长度设为10m，故该误差e1为：
[0013][0014]
梁和檩条的施工误差e2，该误差e2允许值为：
[0015][0016]
测量误差e3，测量精度通常根据图纸的比例来设定；而单体建筑的单平面比例通常为1:100；测量误差e3可以估计为：
[0017]
e3＝0.1mm
×
100＝
±
10mm
[0018]
合计为：
[0019][0020]
考虑到中国古代建筑技术的状况，这个值应该加倍，即临界值e为
±
64mm；
[0021][0022]
其中：梁、檩条长度允许误差e1；梁和檩条的施工误差e2；测量误差e3；
[0023]
s6、根据测量误差的临界值判断重建质心与现状质心之间的平均偏移距离是否可以接受；如果平均偏移距离在临界值内，则输出此时的轴线，认为柱网是正确的；否则返回步骤s2，对偏差过大的柱头样本进行剔除使其不参与计算，然后继续剩余流程。
[0024]
进一步，所述步骤s3中重建质心为柱网由x方向的若干轴线和y方向的若干轴线的交点，所述重建质心和对应的现状质心之间的平均距离，预期目标最好为是小于等于64mm；所述有限元分析模型通过预期目标自动求解，并在两分钟内完成多次迭代，将上一步的结果带入下一步计算，反推出可以产生这种结果的输入数据，即为测量建筑物体的所有的轴线。
[0025]
进一步，所述有限元分析模型采用如下步骤实现规则柱网的自动求解：
[0026]
101、根据点云切片，拟合出柱头轮廓线，并投影到xy平面内，根据平面的柱头轮廓计算得到现状质心，即若干的点；参照xy坐标对这些点进行排序，形成结构化的数据列表；
[0027]
102、以数值滑块作为变量，设置初始化的重建柱网，计算出所有轴线的交点，即重建质心；
[0028]
103、设置其他初始化的参数，包括：已知量为水平轴线和垂直轴线的交角为90度；设置第一个未知量为水平轴线和垂直轴线的间距，表达方式为若干数值滑块；设置第二个未知量为水平轴线的初始角度，表达方式为一个数值滑块，可变范围根据实际情况确定；设置期望值为将每一对重建质心和现状质心的距离，加权求高斯和，表达方式为一个求和算法模块；
[0029]
104、搭建求解算法，将求和算法模块的输出端口接入遗传算法求解器的目标端口，将遗传算法求解器的基因端口连接上述每一个数值滑块，并将终止值设为0；遗传算法求解器会自动尝试组合不同的数值滑块，使得期望值尽量接近终止值；
[0030]
105、设置结束计算的判定条件，期望值，即高斯和，等于终止值，此时结束计算；或计算过程达到10分钟时需要人为中断，并判断当前质心距离的平均值是否小于临界值，是
否可以接受。
[0031]
有益效果
[0032]
1.本发明设计了一套自动求解工作流，用于柱网的规则化重建，基于有限元分析模型进行迭代优化。
[0033]
2.本发明设计了一种有限元分析模型，可以将优化不规则柱网时涉及到的复杂系统问题，简化为已知量、未知量、目标，利用遗传算法进行自动求解，根据已知量和目标求未知量，并根据预期目标的判定的条件自动结束优化计算，全流程可追溯、可复现。
[0034]
3.本发明可以适用于多种类型的建筑，并已通过内部测试，极大地方便了建筑遗产数字化记录的工作。
附图说明
[0035]
图1为本发明一种用于建筑遗产数字化记录的柱网的自动求解方法流程图；
[0036]
图2为不规则的现状柱网点云切片；
[0037]
图3现状质心示意图；
[0038]
图4对现状质心排序后形成的结构化列表
[0039]
图5为初始化的重建柱网；为规则化的重建柱网，包括轴线、偏移量、方向；
[0040]
图6质心偏移距离示意图
[0041]
图7为平均偏移量和极值分布。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图与实例对本发明做详细的论述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0043]
如图1所示，本发明一种用于建筑遗产数字化记录的柱网的自动求解方法，其特征在于：所述柱网的自动求解方法是基于将不规则柱网数据信息转换成预期目标的判定的条件自动结束优化的有限元分析模型，所述有限元分析模型包括采用如下步骤构建：
[0044]
s1、利用三维激光对建筑进行扫描获得现状点云数据；
[0045]
s2、根据现状点云数据进行柱网中柱体切片拟合获现状质心，即坐标为c0(x0,y0)；
[0046]
s3、通过未知量的数值模块计算柱网内所有轴线的交点建立重建质心，即坐标为c1(x1,y1)；
[0047]
s4、计算重建质心和现状质心距离的高斯和；
[0048]
s5、自定义重建质心和现状质心之间平均偏移距离的临界值；
[0049][0050]
其中：梁、檩条长度允许误差e1；梁和檩条的施工误差e2；测量误差e3；
[0051]
s6、根据测量误差的临界值判断重建质心与现状质心之间的平均偏移距离是否可以接受；如果平均偏移距离在临界值内，则输出此时的轴线，认为柱网是正确的；否则返回步骤s2，对偏差过大的柱头样本进行剔除使其不参与计算，然后继续剩余流程。
[0052]
以山东曲阜孔庙奎文阁为例，在一层柱头的点云切片，从图2中可以看到，由于柱
网的不规则，梁枋的分布也会不规则，呈现出歪斜的特点。如果要创建规则化的bim模型，对于一座建筑来说，首先要重建规则化的柱网，即，柱网内的水平轴线和垂直轴线，都是正交的。柱网内每个轴线的交点，都是柱头轮廓线的几何中心，即重建质心；根据现状点云切片拟合出的现状柱头轮廓线，其几何中心即为现状质心。期望的结果是，所有柱头重建质心与现状质心之间的距离，高斯和(即方差)最小，那么就可以认为，此时，重建的柱网，无限接近歪斜之前的初始状态。
[0053]
在可视化算法建模平台内，搭建如下的算法进行自动求解。
[0054]
第一步，根据点云切片，拟合出柱头轮廓线，并投影到xy平面内，求出现状质心，得到若干的点，如图3所示。参照xy坐标对这些点进行排序，形成结构化的数据列表，如图4所示。第二步，设置初始化的重建柱网，使其尽量靠近现状质心的平均位置，如图5所示。
[0055]
第三步，设置初始化的计算逻辑。设置已知量为，水平轴线和垂直轴线的交角为90度。设置第一个未知量为水平轴线和垂直轴线的间距，表达方式为若干数值滑块，每个数值滑块的可变范围根据实际情况确定(如-5000至+5000)；设置第二个未知量为水平轴线的初始角度，表达方式为一个数值滑块，可变范围根据实际情况确定(如-1度至+1度)。设置期望值为，将每一对重建质心和现状质心的距离，加权求高斯和，表达方式为一个求和算法模块。
[0056]
第四步，搭建求解算法，将求和算法模块的输出端口接入遗传算法求解器的目标端口，将遗传算法求解器的基因端口连接上述每一个数值滑块，并将终止值设为0，即，遗传算法求解器会自动尝试组合不同的数值滑块，使得期望值尽量接近终止值。
[0057]
第五步，设置结束计算的判定条件。期望值，即高斯和，等于终止值，此时结束计算；或计算过程达到10分钟时需要人为中断，并判断当前质心距离的平均值是否小于临界值，是否可以接受。其判定条件如下。
[0058]
要判定重建质心和现状质心距离的平均值是否可以接受，其临界值e，应考虑以下部分：梁和檩条的制造误差(因为梁和檩条的长度与柱之间的距离直接相关)。参照《古建筑施工质量检验评定标准》，梁、檩条长度允许误差e1为：
±
1/2000，将梁的最大长度设为10m，故该误差(在最不利条件下)e1为：
[0059][0060]
梁和檩条的施工误差e2。参照《古建筑施工质量检验评定标准》，该误差e2允许值为：
[0061][0062]
构件变形误差。由于此错误对柱头的位置几乎没有影响，因此可以忽略它。
[0063]
测量误差e3。测量精度通常根据图纸的比例来设定。而单体建筑(单平面)的比例通常为1:100。因此，测量误差e3可以估计为：
[0064]
e3＝0.1mm
×
100＝
±
10mm
[0065]
合计为：
[0066]
[0067]
考虑到中国古代建筑技术的状况，我们不得不把这个值加倍，即临界值e为
±
64mm。
[0068]
重建质心和现状质心距离的平均值在临界值以内，则认为重建的柱网可以接受；大于临界值，则需要进行人为判断，如，某柱头的现状质心，其歪斜程度过大，无法为算法重建提供支持，在求解算法中去掉该柱头，不参与计算，避免因某一处过于歪斜而导致整体的计算被干扰。第六步，结果核验。经过计算后，若重建的柱网满足临界值，计算结束；若不满足临界值，则说明某柱头歪斜过大；本案例中，平均值为68mm，虽然超过临界值64mm，但也可以接受这个结果，并得出相应的结论：角柱歪斜过大。如图6所示是重建质心和现状质心之间的偏移距离。如图7所示是平均值和极值分布。
[0069]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。