基于三维图像重建技术的震损结构快速识别方法研究

This project focuses on the deficiency of traditional earthquake-damage investigation methods of building structures, including time-consuming, exhausting, dependent on experts, potential safety hazard in investigation process, and will introduce 3D model reconstruction based technology into the fast recognition of earthquake damaged structures. The major research contents including: The sparse reconstruction and selection algorithms for 2D seismic damaged pictures; The feature extraction and image matching algorithms considering sheltering; B spline curve based surface reconstruction of 3D model; The vertical merging algorithms for 3D models; The integration of 3D image reconstruction algorithms and development of APP software. The final objection of the project is to provide the sophisticated theory, method and technology for the fast recognition of earthquake damaged structures based on 3D image reconstruction technology. The research results will change the existing way of earthquake damage investigation, provide the great convenience for earthquake damage investigation, save manpower and financial resources, greatly improve the efficiency of the seismic damage investigation. In addition, the research of the project refers to some advanced technologies in image process, so the research of the project can promote the development of image processing related field.

本项目针对传统的震损结构快速评估方法中存在的耗时、费力、对专家依赖性强、评估过程存在安全隐患以及资料收集不全的不足，将基于二维图片的三维模型重建技术引入震损结构的快速识别中。针对现有的三维重建算法中存在的问题，重要研究以下内容：二维震损结构图片的疏压缩与选择算法；考虑二维震损结构图片中遮挡效应的特征提取及图像匹配算法；基于B样条曲线的三维震损结构表面重建算法；三维震损结构模型的垂直拼接算法；集成三维图像重构算法并开发手机APP客户端。项目最终目标是为基于三维图像重建技术的震损结构快速评估提供完善的理论、方法和技术。本项目的研究成果将会改变现有的震害调查方式，极大的方便震害调查，节约人力和财力，大大提高震害调查的效率。另外，本课题研究也涉及许多图像处理领域的前沿技术，同时也会促进图像处理相关领域的发展。

本项目针对传统的震损结构快速评估方法中存在的不足，将基于二维图片的三维模型重建技术引入震损结构的快速识别中，开展了深入细致的研究。考虑图像分辨率高是导致三维建模计算时间过长的主要因素，提出基于主成分分析的震损结构图片压缩预处理算法，对比研究了不同压缩程度下图像三维建模效果，通过实验验证所提方法可以在不影响模型精度的前提下极大地减少建模时间，建模效率提升约3倍。考虑真实图像中背景等与建模无关的元素会导致建模计算时间过长，提出基于交互式图像分割的震损结构特征提取算法，并结合震损结构三维模型重建实际情况，提高了现有图像分割算法的特征提取效率，通过实验验证了所提方法的可行性，建模效率提升约3倍。进一步提出图像压缩与图像特征提取联合作用的建模方法，通过实验验证该方法的可行性，联合建模方法的建模效率提升约为5倍。针对泊松表面重建算法中所生成的三角形网格无法精确模拟复杂裂缝及结构的任意曲面，提出基于B样条曲线的三维震损结构表面重建算法，通过实验验证了该方法的可行性。针对土木工程中结构尺寸过大，利用二维图像重建出的结构三维模型具有细节模糊、信息不完备的缺点，提出基于点云拼接技术的结构三维模型重建的方法，对大尺寸模型进行分段建模后拼接，与传统整体建模方法相比，其重建模型的细节信息更加完整。为了进一步提高震损结构评估精度，针对结构螺栓连接节点，提出基于图像的自动化螺栓松动与断裂检测方法，通过试验验证了方法的可行性。最终将算法集成开发APP客户端软件，为基于三维图像重建技术的震损结构快速评估提供完善的理论、方法和技术。