基于激光點(diǎn)云的大跨度曲線圓管結(jié)構(gòu)線形高效自動(dòng)檢測(cè)方法

胡開心， 馬寶利， 彭 倫， 楊宇鵬 ， 周 銀， 應(yīng)春莉， 郭 彤 ， 韓達(dá)光

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2.中鐵十六局第五工程公司, 唐山 064099； 3.重慶魯汶智慧城市與可持續(xù)發(fā)展研究院, 重慶 401135； 4.東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 211100； 5.挪威奧斯陸城市大學(xué)技術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院建筑與能源技術(shù)系, 奧斯陸 0130)

大跨度空間曲線圓管結(jié)構(gòu)在工程上應(yīng)用廣泛，比如一些大型鋼結(jié)構(gòu)建筑主骨架、鋼管拱拱肋、斜拉橋拉索和懸索橋纜索等，如何快速、精準(zhǔn)地測(cè)量該類型結(jié)構(gòu)的整體線形為行業(yè)難題。

楊鴻玉等[1]采用小棱鏡配合全站儀的方式對(duì)上海世茂深坑酒店的雙曲線異形鋼結(jié)構(gòu)線形進(jìn)行了測(cè)量，每根異形鋼柱得控制點(diǎn)線形僅為三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，其中棱鏡的放置是定位準(zhǔn)確的關(guān)鍵。在鋼管拱拱肋線形測(cè)量方面，大多采用全站儀、水準(zhǔn)儀等方式對(duì)拱肋特殊位置(如每段拱肋上下鋼管分段口前后、斷面軸線等位置)進(jìn)行數(shù)個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)，如文獻(xiàn)[2-5]所述。因斜拉橋拉索和懸索橋纜索的線形監(jiān)控一直是十分重要的課題，怎樣快速、高精度得到其線形為行業(yè)難題。相比鋼管拱拱肋線形檢測(cè)，拉索線形因拉索數(shù)量多導(dǎo)致控制點(diǎn)數(shù)目更加龐大，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段往往會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間與人力。劉強(qiáng)等[6]對(duì)某單塔空間索面自錨式懸索橋36根空間型索股完成線形測(cè)量。許曦等[7]采用單向三角高程差分測(cè)量方法，配合Excel進(jìn)行處理。由實(shí)測(cè)坐標(biāo)計(jì)算與設(shè)計(jì)線形的偏差，以提高作業(yè)效率。

相較于傳統(tǒng)測(cè)量手段，三維激光掃描能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全方位、高精度數(shù)據(jù)采集，對(duì)于結(jié)構(gòu)整體線形檢測(cè)、提升工作效率具有巨大的潛力。在利用三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行提取結(jié)構(gòu)線形方面，江靜等[8]提出一種迭代搜索符合所有特征線性質(zhì)模型的算法，實(shí)現(xiàn)了模型信息的直線等特征提取。楊林等[9]基于地面LiDAR的結(jié)物影像直線類特征進(jìn)行精細(xì)提取，該方法穩(wěn)定可靠，但文中假定建筑物邊緣都為直線并且墻面都是平面的情況，曲線類結(jié)構(gòu)有較大局限。未來(lái)需要進(jìn)一步研究更自主特別針對(duì)于建構(gòu)筑物的特征提取方法和技術(shù)[10]。

目前，多數(shù)采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)線形提取方面，還限于對(duì)直線型邊緣的研究，而利用此技術(shù)對(duì)于曲線型結(jié)構(gòu)線形提取還尚未見正式文獻(xiàn)報(bào)道?，F(xiàn)采用三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)，結(jié)合編程算法等對(duì)該類大跨度曲線圓管結(jié)構(gòu)中心線線形提取方法進(jìn)行相關(guān)研究，并以某曲線圓管結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行效果驗(yàn)證。

1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

采用三維激光掃描儀(如徠卡ms60)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位掃描，設(shè)置合適的點(diǎn)云間距和質(zhì)量等參數(shù)。一般的，為保證采集到的點(diǎn)云與施工方坐標(biāo)處于同一坐標(biāo)系，每次設(shè)站都利用其全站儀的功能進(jìn)行后方交會(huì)。為保證點(diǎn)云拼接精度，設(shè)站精度必須控制在2 mm范圍內(nèi)。

1.2 點(diǎn)云預(yù)處理

首先將采集到的點(diǎn)云在3D Reshaper軟件里進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，然后導(dǎo)入點(diǎn)云專業(yè)處理平臺(tái)Geomagic Control 進(jìn)行降噪、刪除周圍雜物等處理。所謂“降噪”即現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素如人、機(jī)器震動(dòng)等影響，從而使采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一些與被測(cè)物無(wú)關(guān)的噪聲點(diǎn)，此時(shí)利用一些濾波算法過(guò)濾掉遮擋物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及一些離散點(diǎn)，保留目標(biāo)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用“減少噪聲”的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的降噪。刪除所有與曲線圓管結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的點(diǎn)云(包括與圓管結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的所有次構(gòu)件)，為提取圓管線形做準(zhǔn)備。

2 自動(dòng)提取圓管中心線

2.1 斷面投影圓

(1)

根據(jù)式(1)線性擬合點(diǎn)云在x-y面投影斜率，求得擬合直線與坐標(biāo)軸x軸夾角為θ=arctank0。將點(diǎn)云繞z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ，得到平面坐標(biāo)系x-z下的點(diǎn)云，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，

(2)

為降低曲線斜率對(duì)分段圓柱點(diǎn)云的影響，以z=zmax為界將該組點(diǎn)云分成左右兩側(cè)相同的點(diǎn)云。以左端為例：先對(duì)左側(cè)點(diǎn)云{(xk,zk),i=1,2，…n}進(jìn)行調(diào)平處理，見圖1，然后進(jìn)行分段最優(yōu)曲線擬合。

圖1 原姿態(tài)與分段調(diào)平狀態(tài)Fig.1 Original attitude and piecewise leveling state

f=a0+a1x1+…+anxn

(3)

(4)

圖2 微段豎向圓柱Fig.2 Vertical cylinder of microsegment

2.2 斷面投影圓擬合

圖3 原始算法擬合圓Fig.3 Original algorithm fitting circle

圖4 改進(jìn)算法擬合圓Fig.4 Improved algorithm for fitting circle

2.3 圓管中心線生成

在得到各微段圓柱的控制點(diǎn)后，分別繞各自對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)恢復(fù)到原來(lái)對(duì)應(yīng)空間位置，在此不再贅述。最后將所有的控制點(diǎn)通過(guò)三次樣條曲線進(jìn)行插值，得到該圓管的中心線，以上過(guò)程全部可由編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

2.4 精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方法提取曲線圓管類結(jié)構(gòu)中心線整體線形的精度，可賦予中心線對(duì)應(yīng)的圓管半徑值完成圓管重構(gòu)。在點(diǎn)云處理平臺(tái)Geomagic Control進(jìn)行二者的三維偏差對(duì)比，此方式可直觀、快速地進(jìn)行三維偏差分析比較，檢查中心線提取精度。

另外，此方法提取的中心線還可轉(zhuǎn)換成圓管下沿線，與全站儀獲取的線形進(jìn)行對(duì)比。一般情況下，二者的趨勢(shì)應(yīng)大致相同，且鄰近控制點(diǎn)位置接近。

3 實(shí)例驗(yàn)證

某玻璃幕墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)由164根高低錯(cuò)落的大跨度空間曲線圓管組成(圖5)。整個(gè)連廊平面呈300 m弧形，剖面單根圓管高16 m，跨度約30 m?，F(xiàn)場(chǎng)施工方式為每架設(shè)一定數(shù)量圓管結(jié)構(gòu)后，即進(jìn)行該范圍的玻璃幕墻安裝。為保證玻璃幕墻的竣工質(zhì)量，必須對(duì)該段圓管進(jìn)行返尺得到圓管結(jié)構(gòu)的整體精確線形，用以精確指導(dǎo)玻璃幕墻的尺寸切割；加上現(xiàn)場(chǎng)工期緊張的緣故，采用傳統(tǒng)全站儀等單點(diǎn)式測(cè)量方式在結(jié)構(gòu)整體精確線形測(cè)量以及效率方面都難以滿足要求。為提高曲線圓管整體線形獲取精度與效率，現(xiàn)采用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

三站設(shè)站結(jié)果見表1。本次數(shù)據(jù)采集耗時(shí)約2 h,共采集26根圓管結(jié)構(gòu)。

圖5 某曲線圓管結(jié)構(gòu)Fig.5 A curved tube structure

表1 三維激光掃描儀設(shè)站標(biāo)準(zhǔn)差(σ)

圖6 某曲線圓管結(jié)構(gòu)點(diǎn)云Fig.6 Point cloud of a curved circular tube structure

以三根曲線圓管結(jié)構(gòu)(圖6)為例，采用本方法完成圓管中心線的提取。步驟如前所述，其中，經(jīng)試驗(yàn)研究，在擬合該對(duì)象曲線圓管時(shí)采用7次擬合曲線效果最優(yōu)：

f=a7x7+a6x6+…+a1x1+a0

(5)

圖7 半徑分布圖Fig.7 Radius distribution bar chart

賦予圓管中心線半徑平均值r實(shí)現(xiàn)圓管三維重構(gòu)，在點(diǎn)云處理平臺(tái)Geomagic Control中完成重構(gòu)圓管與點(diǎn)云的偏差分析，見圖8。①偏差分布均勻，沒有偏差突變之處；②與原始點(diǎn)云對(duì)比，大體偏差在1～3 mm。

通過(guò)重構(gòu)圓管與點(diǎn)云的比較，驗(yàn)證了該自動(dòng)算法提取的中心線線形精度高、整體線形穩(wěn)定的特點(diǎn)，可用于精確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)幕墻安裝等后續(xù)工作。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的實(shí)施效果，將算法得到的圓管中心線線形與傳統(tǒng)全站儀配合反光片測(cè)量得到的圓管下沿線線形的剖面圖進(jìn)行比較。為了比較結(jié)果更加直觀、簡(jiǎn)潔，首先將算法得到的中心線往圓管內(nèi)部徑向平移r(半徑平均值)的距離，得到算法下沿線。然后以設(shè)計(jì)圓管曲線頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，繞z軸順時(shí)針分別旋轉(zhuǎn)算法下沿線和傳統(tǒng)下沿線至與x-z平行，并求得兩種方式得到的下沿線與設(shè)計(jì)線偏差。本次以上述相同三根圓管為對(duì)象完成偏差結(jié)果對(duì)比，見圖9。

圖8 重構(gòu)圓管偏差色譜圖Fig.8 Reconstruction of circular tube deviation chromatogram

圖9 偏差對(duì)比Fig.9 Comparison of deviation

結(jié)果顯示，二者偏差整體趨勢(shì)基本一致；且鄰近控制點(diǎn)偏差結(jié)果大多數(shù)十分接近，二者相對(duì)偏差值大多在1～5 mm，說(shuō)明兩種方式得到的控制點(diǎn)基本可靠。另外，全站儀受工作量、效率等限制，控制點(diǎn)十分有限；而由大量密集點(diǎn)云逆向圓管控制點(diǎn)眾多，線形全面豐富。

4 結(jié)論

提出一種基于激光點(diǎn)云的大跨度曲線圓管結(jié)構(gòu)線形高效自動(dòng)檢測(cè)方法，并以某一曲線圓管結(jié)構(gòu)為對(duì)象成功地進(jìn)行了試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)采用三維激光掃描儀對(duì)圓管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速、全方位豐富數(shù)據(jù)獲取，結(jié)合改進(jìn)的最小二乘法避免雜點(diǎn)對(duì)擬合控制微段點(diǎn)云投影圓的影響，最后利用算法編程自動(dòng)化高效地完成對(duì)結(jié)構(gòu)中心線線形提取。通過(guò)賦予中心線半徑的重構(gòu)圓管與點(diǎn)云三維分析對(duì)比，結(jié)果顯示，該線形整體精度高、效果穩(wěn)定，能滿足工程測(cè)量要求。

(2)將該檢測(cè)方法與傳統(tǒng)方法測(cè)量的曲線圓管下沿線線形進(jìn)行了偏差對(duì)比，結(jié)果表明二者偏差整體趨勢(shì)基本一致，鄰近控制點(diǎn)偏差結(jié)果接近。整體線形精度與獲取效率上的明顯提升，對(duì)于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)后續(xù)建設(shè)與保障現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度有十分重要的意義。

(3)本檢測(cè)方法的提出，對(duì)于該類型結(jié)構(gòu)(如一些大型鋼結(jié)構(gòu)建筑曲線圓管主骨架、鋼管拱拱肋，尤其是大批量斜拉橋拉索和懸索橋纜索等)的整體線形高精度提取、保障后續(xù)施工工期等具有重要的借鑒意義。