基于三維激光掃描儀的超大直徑管片模型檢測(cè)技術(shù)

王若鵬 張成君

摘要：本文借助江陰靖江長江隧道工程，基于三維激光掃描儀對(duì)超大直徑管片模型檢測(cè)進(jìn)行研究，通過分析三維激光掃描儀的基本原理，移動(dòng)式三維激光掃描儀操作控制要點(diǎn)，對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化處理與分析，總結(jié)分析了管片模型的制造精度，對(duì)管片生產(chǎn)嚴(yán)格把關(guān)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀;管片模型;數(shù)據(jù)處理;精度分析

一、概述

江陰靖江長江隧道工程是《長江經(jīng)濟(jì)帶立體綜合交通走廊規(guī)劃（2014-2020）》中批復(fù)的江蘇省14條過江通道之一，是《江蘇省城鎮(zhèn)體系規(guī)劃（2015-2030）》中規(guī)劃的公路過江通道，是《江蘇省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中規(guī)劃高速公路S90的過江通道。江陰靖江長江隧道工程主體施工項(xiàng)目位于江陰大橋和泰州大橋之間。隧道過江段采用公路、鐵路以三管隧道方式穿越長江，公鐵分期實(shí)施，近期實(shí)施公路雙管隧道，預(yù)留遠(yuǎn)期鐵路單管隧道實(shí)施條件。隧道過江段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)開挖直徑高達(dá)16.06m，管片外徑15.5m，內(nèi)徑14.2m，是目前內(nèi)地水下最大直徑的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，是世界上最大的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)之一。右線盾構(gòu)段長4952m（樁號(hào)YK3+433-YK8+385），左線盾構(gòu)段長4937.19m（樁號(hào)ZK3+432.396-ZK8+369.590）。

隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，由于三維激光掃描儀的激光具有相干性、單色性、高亮度、方向性等特性，將其使用在監(jiān)測(cè)裝置中，在速度、精度、易操作等方面優(yōu)勢(shì)顯著。三維激光掃描儀通過掃描物體，可提供其表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過多角度立體掃描物體，可獲得被測(cè)對(duì)象高度、位置等信息，通過對(duì)點(diǎn)云信息處理，然后建模，最后拼接成圖，進(jìn)而獲得高精度和高分辨率的物體數(shù)字模型。本工程對(duì)隧道掘進(jìn)管片拼裝精度要求極高，管片的成型質(zhì)量精度在隧道建設(shè)中至關(guān)重要。本文以隧道管片模型為研究對(duì)象，研究了基于移動(dòng)式動(dòng)態(tài)三維激光掃描儀相結(jié)合的超大直徑管片模型的立體化檢測(cè)。

二、三維激光掃描儀

1.技術(shù)原理

三維激光掃描儀技術(shù)是利用激光測(cè)距，通過終端發(fā)射的激光束并對(duì)反射的激光進(jìn)行接收，利用發(fā)出和反射激光束之間的相位差計(jì)算距離，從而控制精度。另外，可以記錄管片模型外表面三維坐標(biāo)、材質(zhì)以及反射率等物理信息，從而快速復(fù)制并建立起三維實(shí)體模型等各種檢測(cè)數(shù)據(jù)信息

2.移動(dòng)式三維激光掃描儀

按成像方式分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。常規(guī)檢測(cè)為靜態(tài)檢測(cè)，及通過固定點(diǎn)位檢測(cè)，最后合成點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;而盾構(gòu)隧道管片模型為弧度，模型有許多預(yù)埋螺栓孔，當(dāng)采用分站式靜態(tài)掃描時(shí)，每一測(cè)站上均能有效獲取精度高、數(shù)量大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。但是，靜態(tài)測(cè)量存在一定的局限性，由于技術(shù)局限性，在掃描兩個(gè)相鄰區(qū)段是，測(cè)站必須有一定的重疊，才能保證數(shù)據(jù)處理的銜接，便于分析，從而產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)分析和處理的難度和效率。

基于移動(dòng)式三維激光掃描儀檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)自主設(shè)計(jì)研發(fā)，通過集成高精度三維激光掃描儀、人機(jī)協(xié)作機(jī)械臂、PLC控制系統(tǒng)等關(guān)鍵硬件，開發(fā)帶數(shù)據(jù)處理功能的上位機(jī)軟件，通過上位機(jī)軟件控制下位機(jī)PLC，PLC發(fā)出指令，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，并進(jìn)一步反饋到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，并自動(dòng)輸出檢測(cè)成果報(bào)表，實(shí)現(xiàn)三維激光掃描儀檢測(cè)管片成品和模型的自動(dòng)化。該系統(tǒng)具有一定柔性，能滿足13m～16m管片成品和模型三維尺寸的檢測(cè)。

三、超大直徑管片模型檢測(cè)

1.模型檢測(cè)

隧道管片通過移動(dòng)小車放置在定位工裝上，小車平移進(jìn)入檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部，到位后觸發(fā)軟限位電機(jī)制動(dòng)，小車停止，進(jìn)入檢測(cè)待機(jī)狀態(tài);上位機(jī)軟件系統(tǒng)發(fā)出掃描指令，機(jī)械部件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿PLC和機(jī)械臂的規(guī)劃路徑開始進(jìn)行掃描檢測(cè)，帶動(dòng)三維激光掃描儀以一定的速度掃描管片成品和模型的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描完畢將掃描標(biāo)號(hào)傳遞給PLC系統(tǒng);三維激光輪廓掃描儀通過以太網(wǎng)將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件通過點(diǎn)云算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將輸出結(jié)果自動(dòng)寫入標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)表格模板中。

通過在管片模型檢測(cè)車上安放掃描儀，結(jié)束管片車在既定軌道上移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，激光器發(fā)射的光束隨著管片車的移動(dòng)，以螺旋線的形式發(fā)射出去，并對(duì)隧道進(jìn)行全斷面掃描。通過分析發(fā)射和反射激光束的相位差，精確獲取管片外輪廓圖像以及管片模型內(nèi)各點(diǎn)以軌道連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系坐標(biāo)。

在檢測(cè)過程中，管片模型檢測(cè)車沿著軌道前進(jìn)，且始終與管片斷面保持垂直，確保檢測(cè)斷面始終與管片軸線垂直。通過在管片模型檢測(cè)車的車輪上安裝行程傳感器，實(shí)時(shí)記錄行走路徑，形成動(dòng)態(tài)掃描，即可采集到整個(gè)管片模型的三維信息。

2.數(shù)據(jù)分析與處理

對(duì)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時(shí)，先將采集的云數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件中，對(duì)掃描生成模型與實(shí)際模型試驗(yàn)界面進(jìn)行可視化比對(duì)。當(dāng)掃描范圍超出模型試驗(yàn)范圍，借助分析軟件中相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工具，對(duì)數(shù)據(jù)掃描點(diǎn)進(jìn)行剪裁。大范圍剪裁完畢后，通過3D視圖窗口旋轉(zhuǎn)工具，多角度全方位進(jìn)行模型比對(duì)，對(duì)局部范圍內(nèi)的不合理點(diǎn)進(jìn)行修改和剔除。最終可根據(jù)三維模型生成各個(gè)面的二維圖，經(jīng)二維圖、三維圖和施工圖紙進(jìn)行比對(duì)可直接反映模型精度。

四、總結(jié)

與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比較，三維激光掃描儀能夠快速的測(cè)量出高精度的模型檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過對(duì)檢測(cè)獲取點(diǎn)云大數(shù)據(jù)、斷面三維模型、檢測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理、檢測(cè)數(shù)據(jù)生成等，控制成型管片精度，保證盾構(gòu)施工時(shí)管片拼縫，減小管片錯(cuò)臺(tái)，打造不滲不漏隧道工程。

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