基于三維激光掃描的鋼板組合梁結(jié)構(gòu)檢測方法

馬增琦， 楊承昆， 孫文晉， 吳勇生， 蔡 敏， 郭寶云， 文 言

(1.廣東云茂高速公路有限公司， 廣州 510623； 2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司， 長沙 410200； 3.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

隨著中國鋼鐵工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展以及鋼產(chǎn)量的不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其中大型的、復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)橋梁也逐漸增多[1]。由于運輸或吊裝等條件限制，鋼結(jié)構(gòu)橋梁一般采用分段、分體的方式進行制作，為了檢測其制作的精度以及保證現(xiàn)場安裝順利實施，在構(gòu)件出廠前需要在工廠內(nèi)進行構(gòu)件檢測，并且在工地進行大構(gòu)件整體預(yù)拼[2]。傳統(tǒng)測量方法多采用全站儀、鋼尺測距等方式進行構(gòu)件檢測，通過采集目標(biāo)構(gòu)件上特征點的坐標(biāo)和特征距離，該方法耗時耗力且無法獲取高精度數(shù)據(jù)，并且傳統(tǒng)檢測方法在面對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間跨度大的鋼制橋梁時，其檢驗過程更加繁瑣、外業(yè)工作量陡增[3]，且人工采集特征點誤差較大，三維模型可信度低。

地面三維激光掃描(terrestrial laser scanning，TLS)技術(shù)可以快速、連續(xù)、高精度地采集掃描視場內(nèi)目標(biāo)物的表面點坐標(biāo)、顏色、反射率等數(shù)據(jù)[4-7]，為建立各種大型、異型鋼制橋梁構(gòu)件的三維實體模型并進行結(jié)構(gòu)檢測提供了一種高效的新技術(shù)方法[8-11]。本文針對大型鋼板組合梁的三維建模和結(jié)構(gòu)檢測應(yīng)用進行研究，以某高速公路橋梁工程為例，結(jié)合TLS技術(shù)，詳細(xì)闡述了基于三維激光點云數(shù)據(jù)的鋼板組合梁的結(jié)構(gòu)檢測方法，并與傳統(tǒng)檢測方法進行了對比。

1 結(jié)構(gòu)檢測方法及流程

基于三維激光掃描的鋼板組合梁結(jié)構(gòu)檢測方法，主要是通過三維激光掃描直接將各種大型、復(fù)雜的鋼構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)完整采集到計算機中，進而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型，通過多維度切片與設(shè)計模型進行檢測對比得到構(gòu)件的加工誤差。其主要流程如圖1所示。

圖1 鋼板組合梁三維建模和檢測流程

1.1 掃描分辨率和切片厚度預(yù)選

鋼結(jié)構(gòu)加工場地環(huán)境復(fù)雜多變且通視困難，為了節(jié)約人力、提高作業(yè)效率，在點云數(shù)據(jù)的采集前需要做充足的準(zhǔn)備工作，包括設(shè)計資料查閱與場地勘察，記錄項目現(xiàn)場的環(huán)境、地形、障礙物分布，根據(jù)工地實際情況布設(shè)掃描站點與標(biāo)靶并進行預(yù)掃描，點云數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量直接影響模型建模的精度和結(jié)構(gòu)檢測精度，現(xiàn)場掃描原則[12]如下：

1)在保證掃描精度的情況下盡可能少設(shè)站。

2)保持標(biāo)靶分布范圍廣。

3)相鄰掃描站間布設(shè)3個以上標(biāo)靶球且標(biāo)靶球不共線。

4)保證掃描目標(biāo)物的關(guān)鍵部位的完整性。

為確定掃描分辨率和切片分辨率，對其進行計算。掃描儀與鋼板組合梁的掃描角度關(guān)系俯視圖如圖2所示。

圖2 掃描分辨率與鋼板組合梁幾何關(guān)系俯視圖

圖2中，θ為掃描儀最小分辨角度，D為掃描中心距離鋼板組合梁垂直距離，掃描距離為D時分辨率為d；設(shè)鋼板組合梁最遠(yuǎn)端掃描點距掃描中心水平距離為H，旋轉(zhuǎn)角為α，則掃描水平距離H處分辨率為d′，該處在鋼板組合梁表面點云最小分辨距離即為dm。

由圖2可知，設(shè)掃描中心x值為xo，任意掃描點x值為xp，則鋼板組合梁表面最小分辨距離為

dm=H-Dtan(α-θ)

(1)

由式(1)即可確定鋼板梁任意位置點云切片的最小厚度dm。

由圖2可知，掃描水平距離H處分辨率d′有

(2)

將式(1)代入式(2)并整理得到

d′=Dsec2(α-θ)tanθ

(3)

由式(3)算出鋼板組合梁任意位置掃描分辨率d′，以此范圍即可確定掃描設(shè)置參數(shù)。

1.2 點云預(yù)處理及配準(zhǔn)

掃描采集得到的原始點云數(shù)據(jù)量龐大，需要進行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，減少冗余的掃描噪聲點并精簡數(shù)據(jù)量。一般使用掃描儀自帶軟件處理原始點云數(shù)據(jù)，包括掃描點云的去噪、抽稀和裁剪、導(dǎo)出。

地面激光掃描通過有限視場、不同視角的多站掃描，才能完成整片鋼梁測量。統(tǒng)一同一掃描目標(biāo)的多站點云坐標(biāo)的工作，通常稱為點云配準(zhǔn)[13]，點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

(4)

式中：(X,Y,Z)、(x,y,z)分別為兩空間點在坐標(biāo)系O-XYZ、O-xyz中坐標(biāo)；(XS,YS,ZS)為坐標(biāo)平移參數(shù)；R為3階坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣，由旋轉(zhuǎn)參數(shù)(φ,ω,κ)確定，φ、ω、κ分別為空間點繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)矩陣R展開為

為正交矩陣，可記為

(5)

由旋轉(zhuǎn)矩陣的展開式可推出角度參數(shù)φ、ω、κ，即

(6)

(7)

式中，RT=(I+S)-1(I-S)，式(7)展開后可以得到旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，即

(8)

式中，A=a，B=b，C=c，D=XS+cYS+bZS，E=-cXS+YS+aZS，F(xiàn)=-bXS-aYS+ZS，D=XS+cYS+bZS，G=1+A2+B2+C2。由文獻(xiàn)[3]得到a、b、c的值，繼而由式(8)即可得到點云配準(zhǔn)參數(shù)。

1.3 高精度截面獲取及結(jié)構(gòu)檢測

目前點云三維建模方法成熟，并且在大型鋼梁建模中有所應(yīng)用，如文獻(xiàn)[14]提出了用nurbs曲面重構(gòu)方法進行大型鋼結(jié)構(gòu)建模，且目前已有少量系統(tǒng)化的專業(yè)三維處理軟件，可針對不同特點的三維模型選用適合的模型處理軟件。因鋼板組合梁跨度過大且整體精度要求較高，由點云生成的單片鋼梁模型由百萬量級的三角形構(gòu)成，數(shù)據(jù)量較大，一般三維模型數(shù)據(jù)處理軟件難以導(dǎo)入和運行，無法有效地進行結(jié)構(gòu)檢測。為解決以上問題，選用Geomagic Wrap軟件進行大型鋼梁的三維建模與結(jié)構(gòu)檢測，該軟件不僅可流暢處理大量點云和三維模型數(shù)據(jù)，并且可視化操作方便快捷，算法成熟，精度有保證。

點云數(shù)據(jù)經(jīng)過Geomagic Wrap軟件中裁剪、封裝、著色、修補等操作，得到鋼板組合梁掃描模型，如圖3所示。

圖3 鋼板組合梁掃描模型

1.3.1 高精度截面獲取

在點云預(yù)處理后得到各個梁段點云及其三維模型，為分別獲取垂直于X、Y、Z方向的截面，需要先確定模型切片方位。根據(jù)項目特征，其中各個切片的方位由鋼梁主體結(jié)構(gòu)確定，切片方向應(yīng)與設(shè)計圖紙切片的形式一致。分別將鋼縱梁橫向、縱向和垂向切面記為橫向切面、縱向切面和垂向切面，鋼縱梁切片如圖4所示。

圖4 鋼縱梁切片

分別取鋼縱梁的腹板平面和底板平面的法向量i和j，作為縱切平面和橫切平面的法線方向，并由向量外積得到垂切平面的法向量k,即

k=i×j

(9)

再根據(jù)上述切片平面的法線方向和設(shè)計圖切片位置，最終確定模型切片的方位。

1.3.2 結(jié)構(gòu)檢測方法

在確定了各個切片方位后，為獲得切片數(shù)據(jù)，先賦予切片厚度，形成切片夾層。當(dāng)對橋梁點云或者橋梁模型進行切片時，提取該切片夾層內(nèi)的點云或者模型數(shù)據(jù)并投影在切片平面上，點云切片與模型切片夾層示意圖如圖5所示。

圖5 點云切片與模型切片夾層示意圖

將切片夾層進行放大，放大圖中綠色直線為切片夾層兩個臨界面在水平方向的投影線；點云切片夾層放大圖中，白色點為橋梁點云數(shù)據(jù)，紅色點為點云數(shù)據(jù)在切片夾層一側(cè)平面的投影點；模型切片夾層放大圖中，藍(lán)色平面為橋梁模型平面，紅色線為模型平面在切片上的投影。依此得到的投影點/投影線即為橋梁的點云/模型截面。

然后根據(jù)設(shè)計圖尺寸檢測所在位置確定點云/模型切片所在位置，并在獲取截面后根據(jù)需求進行二維尺寸測量，如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)檢測示意圖

最后將切片測量數(shù)據(jù)與設(shè)計切片數(shù)據(jù)相對比，以此作為檢測依據(jù)。

2 工程實例及分析

以某高速公路橋梁工程鋼板組合梁的鋼縱梁結(jié)構(gòu)檢測為例，分別將本文方法與傳統(tǒng)尺寸測量和點云截面切片測量方法進行比較分析。

根據(jù)掃描行進路線記錄掃描目標(biāo)梁段的編號，該工程現(xiàn)場掃描目標(biāo)各梁橫向間距約2 m，縱向間距約3 m，單梁長8～10 m，寬1.2 m。各掃描目標(biāo)分布密集，相鄰目標(biāo)間距過窄，且目標(biāo)物長度跨度較大，項目現(xiàn)場各縱梁間少量遮擋。使用FARO Focus S150三維激光掃描儀進行掃描，相鄰站連接標(biāo)靶選用磁吸式標(biāo)靶球，遵循現(xiàn)場掃描原則[15]，設(shè)站路線呈“S型”，掃描站布設(shè)設(shè)計圖如圖7所示。

圖7 掃描站布設(shè)設(shè)計示意圖

圖7所示為實際掃描時縱梁一種排列情形的俯視示意圖，其中黑色長方形為待測縱梁，紅色星形標(biāo)志為掃描站。經(jīng)過計算，掃描儀掃描精度選取1/4 分辨率雙倍質(zhì)量掃描，經(jīng)過計算得到此時在距掃描儀10 m處單倍掃描分辨率為6.1 mm，該分辨率滿足縱梁建模要求，單站掃描耗時3 min 8 s，共用時約25 min。其他縱梁分布方式與該分布方式相似，掃描站布設(shè)規(guī)律與分辨率設(shè)置值相同。

2.1 傳統(tǒng)尺寸測量方法與模型截面切片測量方法比較

2.1.1 傳統(tǒng)尺寸測量方法

如圖8所示，通過傳統(tǒng)尺寸測量方法進行梁高、頂板寬度、腹板位置測量。共測量縱梁頂板寬度L1，梁高L2，縱梁拼接處腹板位置L3和縱梁中部腹板位置L4，其中可以人工精確定位的特征點標(biāo)注為黑色，無法精確定位的特征點標(biāo)注為紅色，可以看出，人工測量時，僅L1的特征端點可以精確定位；而測量L2-L4時因為缺少特征點，通過人工在結(jié)構(gòu)平面和結(jié)構(gòu)邊緣選取測量端點，可靠性無法保證。

圖8 傳統(tǒng)方法梁高測量

2.1.2 模型截面切片測量方法

通過截面法獲得單例模型的橫縱截面，測量截面特征距離與弦高數(shù)據(jù)，將三維測量問題轉(zhuǎn)換為二維測量問題，如圖9所示。

圖9 高精度截面測量示意圖

通過該方法進行尺寸測量，避免了人工結(jié)構(gòu)檢測時無法精確定位特征點的問題，減少了手動選取測量點位時的誤差。并且該方法可以檢測不通視或有阻擋的結(jié)構(gòu)體尺寸，適應(yīng)性更強。圖9(d)為縱梁水平切面，在測量縱梁長度后，可以進一步測量獲得縱梁的弦高，為方便表示，和設(shè)計圖中設(shè)計弦高進行線型比較得到圖10。

圖10 設(shè)計線型與測量線型比較

圖10中縱梁長度比例為1∶100，弦高比例不變，縱梁長度為實際測量長度，黑色圓弧為設(shè)計線型，紅色圓弧為測量線型。由圖可直觀得知該梁段線型與設(shè)計線型基本符合。

由上可知，對比于傳統(tǒng)尺寸測量方法，本文的截面切片測量方法將三維空間中的測量轉(zhuǎn)化為二維空間中測量，操作靈活的同時具有高可靠性，并且可以輕松獲取傳統(tǒng)方法難以測量的結(jié)構(gòu)線型。

2.2 點云截面切片測量和本文模型截面切片測量方法比較

取同一例鋼縱梁的部分點云及其對應(yīng)三維模型，并分別對兩者相同位置進行不同厚度的兩次切片實驗。其中三維模型和點云的切片厚度分別為0.01 m和0.001 m，結(jié)果如圖11所示。

圖11 點云和模型截面切片測量方法比較

圖11(b)顯示，點云0.01 m厚度切片噪點明顯，尺寸量測工作誤差較大；圖11(c)顯示，點云0.001 m厚度切片點數(shù)量稀少，無法進行尺寸量測工作；圖11(e)和圖11(f)顯示，三維模型0.01 m厚度和0.001 m厚度切片可以清晰地看出模型截面形狀，且截面形狀一致，尺寸測量可靠性較強。

由以上比較可知，以本文切片法檢測模型精度可靠性高于傳統(tǒng)測量方法和點云截面測量方法，并且可以輕松獲取傳統(tǒng)方法難以測量的結(jié)構(gòu)線型，保證了鋼板組合梁結(jié)構(gòu)尺寸測量的可靠性和全面性。

3 結(jié)論

給出一種基于三維激光掃描的鋼板組合梁結(jié)構(gòu)檢測方法，步驟包括掃描分辨率推算、點云預(yù)處理及配準(zhǔn)、高精度截面獲取及結(jié)構(gòu)檢測。以某高速公路橋梁工程鋼縱梁結(jié)構(gòu)檢測為例，對比了本文方法與傳統(tǒng)尺寸測量和點云截面切片測量方法，并進行分析，得到以下結(jié)論：

1)基于三維激光掃描的鋼板組合梁結(jié)構(gòu)檢測方法，依條件計算得到最小有效點云切片厚度并選設(shè)掃描分辨率，在點云數(shù)據(jù)預(yù)處理后以同名特征點進行點云配準(zhǔn)；以縱梁關(guān)鍵部位作為方位依據(jù)獲取高精度截面方位，并以此進行結(jié)構(gòu)檢測。相較于傳統(tǒng)尺寸測量方法，截面切片測量方法將三維空間中的測量轉(zhuǎn)化為二維空間中測量，操作靈活的同時具有高可靠性，并且可以輕松獲取傳統(tǒng)方法難以測量的結(jié)構(gòu)線型。

2)相較于點云數(shù)據(jù)，三維模型數(shù)據(jù)在截面切片測量方法可靠性更高，測量結(jié)果更加穩(wěn)定。

3)相較于傳統(tǒng)尺寸測量方法，基于三維激光掃描的鋼板組合梁結(jié)構(gòu)檢測方法實施方便，減少外業(yè)測量工時，可以大幅縮短工期，降低成本，為鋼板組合梁的結(jié)構(gòu)檢測提供了新的解決思路，有良好的應(yīng)用價值。

4)本文方法檢測精度仍有提升空間，后續(xù)將進一步完善檢測精度評定方法并提高檢測精度。