三維激光掃描技術(shù)在特異型建筑構(gòu)件檢測中的應(yīng)用探討

周克勤，吳志群

(北京建筑工程學(xué)院建方科技公司，北京100044)

三維激光掃描技術(shù)在特異型建筑構(gòu)件檢測中的應(yīng)用探討

周克勤，吳志群

(北京建筑工程學(xué)院建方科技公司，北京100044)

以兩個工程案例為依據(jù)，探討三維激光掃描技術(shù)在特異型建筑構(gòu)件檢測中的應(yīng)用，著重敘述其具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線和優(yōu)勢。

三維激光掃描;特異型建筑構(gòu)件;檢測

一、三維激光掃描技術(shù)

近年來，隨著我國綜合國力的增強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的重大工程(如奧運(yùn)工程、高速鐵路、航天工程、地鐵工程等)在發(fā)展國家經(jīng)濟(jì)、提高人民生活水平、推動現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用。這些關(guān)系國計民生的特大異型工程體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀怪異，施工難度大、質(zhì)量要求高、安全責(zé)任重。利用傳統(tǒng)測量技術(shù)和手段解決建筑構(gòu)件檢測不但勞動強(qiáng)度大、效率低、精度差，且常常不能滿足現(xiàn)代施工建設(shè)周期的需要，而三維激光掃描技術(shù)的異軍突起為這些問題提供了新的解決方案。

本文通過兩個三維形狀重構(gòu)工程案例來探討三維掃描技術(shù)在特異型建筑構(gòu)件檢驗(yàn)與測繪中的應(yīng)用。

二、應(yīng)用工程

工程所采用三維掃描設(shè)備為徠卡Scanstation2三維激光掃描儀，基本參數(shù)如下:① 測量精度為單點(diǎn)4 mm，模型1 mm;②測距范圍為300 m@90%反射率;③掃描視場為360°×270°;④數(shù)據(jù)采樣率為50 000點(diǎn)/s。

1.鳥巢奧運(yùn)火炬數(shù)據(jù)采集

鳥巢是一個大跨度的曲線結(jié)構(gòu)，有大量的曲線箱形結(jié)構(gòu)，設(shè)計和安裝均有很大挑戰(zhàn)性，而鳥巢圣火臺燃?xì)夤艿朗歉鶕?jù)鳥巢結(jié)構(gòu)，從鳥巢底部沿一根鋼架蜿蜒而上，切線距鋼架邊緣15 cm。由于管道采用直徑300 mm的鋼管6 m一段無縫焊接而成，因而精確獲取此切線數(shù)據(jù)關(guān)乎重大。鳥巢鋼結(jié)構(gòu)的鋼架表面為光滑的不規(guī)則曲面，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取手段均為離散點(diǎn)定位，要想獲取這樣一條連續(xù)的不規(guī)則曲線，工程量之巨不可想象，且精度難以保證。而三維掃描技術(shù)則可以提供一條快捷、可行的技術(shù)路線:首先精確得到目標(biāo)鋼架的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，擬合出Nubers曲面模型;然后將鋼架右側(cè)曲面模型沿鋼架表面向左側(cè)平移15 cm，與鋼架上表面相交，提取出交線即為所需曲線，分段采樣得到采樣坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其流程圖如圖1所示。

圖1

(1)外業(yè)掃描

在外業(yè)掃描過程中，基本遵循如下原則:

1)不同的掃描段之間保持30%的重疊度，不同掃描塊在邊界連接處應(yīng)進(jìn)行完全重疊掃描以便點(diǎn)云模型連接。

2)每一個觀測角度掃描數(shù)據(jù)盡量獲取完整的表面數(shù)據(jù)。

3)遇到特征復(fù)雜或遮擋嚴(yán)重的地方，掃描行間距要適當(dāng)加密，以保證獲取完整的數(shù)據(jù)。

目標(biāo)鋼架高約42 m，其外2 m處部分有施工防護(hù)網(wǎng)遮擋，為保證點(diǎn)云的完整性，從垂直方向3個不同的高度，平面位置9個不同的角度對其進(jìn)行掃描，多站重疊基本覆蓋了所有表面，原始點(diǎn)云如圖2所示。

圖2

同時，為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確性，在兩站點(diǎn)云的拼接時，標(biāo)靶的拼接精度控制在±2 mm以下，點(diǎn)云的精度控制在±2 mm。

(2)鋼架表面數(shù)據(jù)Nubers曲面建模

曲面建模是指通過生成曲面模型將離散的測量數(shù)據(jù)(這里指點(diǎn)云數(shù)據(jù))重構(gòu)出連續(xù)變化的曲面。采用Nubers曲面建模能夠精確表示常用的平面和二次曲面等。Nubers曲面對于標(biāo)準(zhǔn)曲面和任意形狀曲面具有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式。

一張p·q次Nubers曲面的有理多項(xiàng)式矢函數(shù)定義為

其中，di，j(i=0，1，…，m;j=0，1，…，n)為控制頂點(diǎn)，呈拓?fù)渚匦侮嚵?，形成一個控制網(wǎng)絡(luò);wi，j是與頂點(diǎn)di，j聯(lián)系的權(quán)值;Ni，p(u)和Nj，q(v)分別為參數(shù)u方向 p次和參數(shù)v方向q次的規(guī)范B樣條基函數(shù)。

由曲面方程可知，通過調(diào)整控制頂點(diǎn)和權(quán)值，可以靈活改變曲面形狀。要對曲面進(jìn)行局部調(diào)整，只需調(diào)整個別控制頂點(diǎn)。由于Nubers曲面良好的數(shù)學(xué)性質(zhì)和優(yōu)秀的幾何特性，它可以方便地按不同要求表示曲面以及實(shí)體造型中的體素，所以這種曲面可以方便、精確地構(gòu)建各類工程中的三維實(shí)體模型。通過專業(yè)逆向工程軟件，得到鋼架Nubers曲面模型如圖3所示。

圖3

(3)曲線數(shù)據(jù)獲取

將已知目標(biāo)鋼架右側(cè)表面的Nubers曲面沿外表面相切方向平移15 cm，與外表面曲面相交，得到項(xiàng)目所需的曲線，其過程如圖4所示。

圖4

最后，在所得曲線上進(jìn)行坐標(biāo)采樣，得到管道設(shè)計所需離散點(diǎn)采樣坐標(biāo)，如圖5所示。

圖5

2.某大型鋼結(jié)構(gòu)建筑主、次梁出廠檢測

某大型鋼結(jié)構(gòu)建筑主要構(gòu)件為主、次梁，其截面如圖6所示，安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖7所示。為保證鋼結(jié)構(gòu)的順利和精確安裝，必須對主、次梁構(gòu)建的生產(chǎn)精度進(jìn)行檢測，也就是與設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，利用傳統(tǒng)測繪手段顯然比較困難，基于三維激光掃描的模型重構(gòu)技術(shù)為其提供了解決方案。

(1)主、次結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云處理

數(shù)據(jù)的采集和配準(zhǔn)仍按上文所述進(jìn)行，得到主結(jié)構(gòu)梁的梯形端口點(diǎn)云數(shù)據(jù)，擬合出端口平面并提取出其交線，進(jìn)而得到邊界線和交點(diǎn)，將這些特征點(diǎn)提取出來并分別返回到點(diǎn)云。得到掃描點(diǎn)云中的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，需要把這些數(shù)據(jù)與設(shè)計特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對比，處理方法是將設(shè)計標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到點(diǎn)云處理軟件中，作為虛擬標(biāo)靶點(diǎn)，與實(shí)際點(diǎn)云擬合的標(biāo)志點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接匹配，其過程如圖8所示。

圖6

圖7

圖8 特征點(diǎn)匹配

圖8中，各項(xiàng)處理數(shù)據(jù)的指標(biāo):①平面擬合精度為±2 mm;②直線擬合精度為±2 mm;③數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度為±3 mm。

(2)構(gòu)建TIN模型與設(shè)計CAD模型比對

經(jīng)過上一節(jié)中的特征點(diǎn)匹配，實(shí)現(xiàn)了將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)統(tǒng)一在相同坐標(biāo)系之中，然后即可建立三角網(wǎng)模型與設(shè)計值進(jìn)行比對。

三角網(wǎng)模型是精確表達(dá)空間不規(guī)則體的最佳模型，是一種精確的表面模型，通過成型的三角網(wǎng)可以方便地構(gòu)建曲面模型、進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯、物體表面對比分析和相關(guān)的空間量測等。

三角網(wǎng)構(gòu)建需要注意幾點(diǎn):

1)去除不相干的表面數(shù)據(jù)，如邊緣的雜物。

2)構(gòu)網(wǎng)步長以重采樣點(diǎn)間距為準(zhǔn)，邊界區(qū)域根據(jù)構(gòu)網(wǎng)跨度定位極限邊長。

經(jīng)過三角網(wǎng)優(yōu)化，將實(shí)際采樣的主、次結(jié)構(gòu)點(diǎn)云三角網(wǎng)與設(shè)計值疊加，并通過提取斷面的方式與設(shè)計斷面進(jìn)行比對，可以得到不同斷面的加工與設(shè)計誤差，其過程如圖9所示。

圖9 提取斷面過程

經(jīng)過坐標(biāo)比對，可以得到特征點(diǎn)加工值與設(shè)計值的坐標(biāo)偏差，并繪制變形曲線圖。

(3)三維分析

二維模式下的數(shù)據(jù)對比顯然不夠直觀，三維激光掃描技術(shù)最優(yōu)勢的地方在于其可進(jìn)行三維數(shù)據(jù)分析。將設(shè)計模型和掃描所得三角網(wǎng)模型導(dǎo)入三維分析軟件中，即可對兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到最大最小偏差、平均差值等，十分快捷直觀，比對結(jié)果如圖10所示。

圖10 三維分析

三、結(jié)束語

本文所述兩個工程案例:第1個是通過特征提取的方法獲取所需數(shù)據(jù);第2個是通過坐標(biāo)改化的方法，將已有逆向數(shù)據(jù)與正向設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到誤差和變形數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的代表性，是三維掃描模型重構(gòu)技術(shù)的典型應(yīng)用案例。三維激光掃描技術(shù)有著鮮明的特點(diǎn)和傳統(tǒng)測繪技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性，對三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行深入研究，將為特大異型工程建設(shè)提供強(qiáng)有力的測繪保障。

［1］ 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析［J］.測繪工程，2005，14(2):32-34.

［2］ 馮文灝.近景攝影測量［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2002.

［3］ 周克勤，吳志群，王維存.地面三維激光掃描技術(shù)在古建保護(hù)與修復(fù)中的應(yīng)用探討［C］∥蘇州世界遺產(chǎn)保護(hù)論壇會議論文集.蘇州:［s.n.］，2005.

Discussion of the Application of Three-dimensional Laser Scanning Technology to Detect the Specific Type of Building Elements

ZHOU Keqin，WU Zhiqun

0494-0911(2011)08-0042-03

P234.5

B

2011-01-21

周克勤(1962—)，男，安徽宿縣人，副教授，主要從事攝影測量與遙感等教學(xué)、科研與生產(chǎn)技術(shù)管理方面的工作。