基于3D視覺檢測技術(shù)的超大直徑鋼管樁質(zhì)量檢測系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

楊三元，龔權(quán)華

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，海上風(fēng)電業(yè)務(wù)呈爆發(fā)性增長，施工區(qū)域由淺水區(qū)到深水區(qū)推進(jìn)，樁基規(guī)格越來越長、越來越重，對于單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)來說，單樁的軸線垂直度是關(guān)系施工質(zhì)量和風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全的重要參數(shù)，根據(jù)海上風(fēng)電場單樁施工技術(shù)要求，鋼管樁沉樁允許偏差：平面允許偏差臆50 cm，高程允許偏差臆5 cm，樁軸線垂直度臆0.275%[1-2]。因此，對超大直徑管樁垂直度的控制，不僅要求在施工過程中對單樁垂直度實(shí)施進(jìn)行監(jiān)測控制，而且對大直徑鋼管樁的出廠質(zhì)量檢測提出了更高的要求，需要對鋼管樁的單樁長度、單樁外徑、斷面橢圓度、中軸線彎曲度、法蘭面橢圓度、法蘭面平整度、法蘭內(nèi)傾斜等質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行檢測。

目前常規(guī)的出廠檢測方法為全站儀觀測法。全站儀觀測法是一種傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，通過測量鋼管樁典型位置的測點(diǎn)對整體結(jié)構(gòu)屬性進(jìn)行推算，由于大直徑鋼管樁直徑為5~8 m，長度達(dá)60 m以上，結(jié)構(gòu)尺寸較大，受加工誤差、鋼管樁局部變形等因素的影響，離散的單點(diǎn)測量無法完整的描述鋼管樁結(jié)構(gòu)的完整屬性，因此，雖然全站儀觀測法的單點(diǎn)測量精度較高，但是整體鋼管樁檢測精度不能滿足要求[3]。

3D視覺檢測技術(shù)是一種光學(xué)測量技術(shù)，近年來發(fā)展很快。光學(xué)測量又分主動測距法和被動測距法[4]，其中單目立體視覺、多目立體視覺屬于被動測距法。主動測量法包括結(jié)構(gòu)光法、激光雷達(dá)測距法和三角測距法，其中三維激光雷達(dá)測距法又稱“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)，利用激光傳播特性，密集的記錄被測結(jié)構(gòu)的表面三維坐標(biāo)、反射率和紋理信息，不需要進(jìn)行灰度圖像的獲取和分析[5]，可快速準(zhǔn)確地獲取被測物體表面完整的三維信息，實(shí)現(xiàn)高精度逆向三維建模及重構(gòu)[6]，對模型進(jìn)行分析處理，可以得到單樁質(zhì)量檢測所需要的數(shù)據(jù)信息。三維激光雷達(dá)測距法是非接觸式測量、數(shù)字化程度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，輸出信號為數(shù)字信號便于后期數(shù)據(jù)處理、分析、顯示，因此本項(xiàng)目選擇三維激光雷達(dá)測距法作為主要觀測手段。

1 超大直徑鋼管樁質(zhì)量檢測系統(tǒng)

基于3D視覺檢測技術(shù)的超大直徑鋼管樁質(zhì)量檢測系統(tǒng)以三維激光雷達(dá)測距法為核心，系統(tǒng)分外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和模型分析3部分，掃描儀選擇徠卡P40，掃描速率為1 000 000 p/s，具有毫米級的測量精度，噪音精度為0.4 mm@10 m，0.5 mm@50 m，精度滿足檢測要求。

2 外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場鋼樁擺放位置，結(jié)合掃描儀的作業(yè)范圍，在鋼管樁周圍確定5個觀測站點(diǎn)，通過多站掃描并拼接完成一個完整構(gòu)件的方法實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)采用自由架站方式，無需另外布置控制網(wǎng)及其他定位方式，測站位置可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況擺放，掃描范圍能覆蓋整個樁外輪廓即可，單測站作業(yè)時(shí)間約為8 min，整個外業(yè)數(shù)據(jù)信息采集過程共設(shè)置5站，大概需要40 min即可完成，作業(yè)效率相對于常規(guī)的全站儀觀測法優(yōu)勢較為明顯，而且不受周邊復(fù)雜地形影響，站點(diǎn)布設(shè)靈活方便。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

對于外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的過程來說，測站采集的每根樁的數(shù)據(jù)都是獨(dú)立的坐標(biāo)系，即以設(shè)備中心所處的空間位置（即激光束發(fā)射處）為坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，X軸和Y軸位于設(shè)備橫向掃描面內(nèi)，Z軸為垂直向上的右手坐標(biāo)系。為分析完整結(jié)構(gòu)信息，需要把各測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合在同一個坐標(biāo)系內(nèi)，并且是受儀器本身、掃描環(huán)境、目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面介質(zhì)等多個因素的影響，數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)需要去除，因此需要對原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體步驟如下：

1）點(diǎn)云降噪

外業(yè)獲得的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地會產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，噪聲本身是受多方面的影響產(chǎn)生的[7]，一方面硬件本身的精度誤差，會出現(xiàn)噪聲，為儀器系統(tǒng)誤差。另一方面是受被測構(gòu)件的外輪廓材質(zhì)對激光的吸收強(qiáng)度、粗糙程度、反射率等因素影響產(chǎn)生的誤差。最后是環(huán)境因素或者偶然因素引起的不可預(yù)測的誤差。點(diǎn)云降噪是數(shù)據(jù)預(yù)處理中的基本操作，能有效提高后期點(diǎn)云分割、配準(zhǔn)、識別等操作成果的質(zhì)量。降噪的方法一般有離群去噪、平滑去噪、統(tǒng)計(jì)去噪等幾種，通過對大直徑鋼管樁的點(diǎn)云噪點(diǎn)特性進(jìn)行分析，采用離群去噪和平滑去噪結(jié)合的方式進(jìn)行降噪處理可以得到較好的處理效果[8]。

2）點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)就是將多個測站測得的多視角點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成一個整體，配準(zhǔn)方法一般有基于ICP（Iterative Closest Point Algorithm）配準(zhǔn)和基于特征點(diǎn)配準(zhǔn)兩種方法，ICP配準(zhǔn)是一種通過重復(fù)進(jìn)行選擇對應(yīng)關(guān)系點(diǎn)對進(jìn)行的迭代最近點(diǎn)算法。該算法通過反復(fù)計(jì)算剛體變換，發(fā)現(xiàn)滿足正確配準(zhǔn)收斂精度要求項(xiàng)，從而找到待配準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與參考云數(shù)據(jù)之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R和平移參數(shù)T，致使R和T在某種度量準(zhǔn)則下達(dá)成最優(yōu)。但是本算法需要提供一個較好的初值，一個好的初值對于加快ICP的收斂過程也十分重要，另外點(diǎn)對點(diǎn)的計(jì)算量十分大，因此本系統(tǒng)采用基于特征點(diǎn)配準(zhǔn)結(jié)合ICP算法的方式進(jìn)行配準(zhǔn)，就是在鋼管樁周圍擺放標(biāo)靶，標(biāo)靶做為初始的特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)效率和精度的最優(yōu)化處理。

3）建模

通過點(diǎn)云配準(zhǔn)可以將多測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成一個整體，此時(shí)所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到同一個坐標(biāo)系下，導(dǎo)入三維建模軟件，可以生成一根和現(xiàn)實(shí)中鋼管樁對應(yīng)的數(shù)字鋼管樁，它可以完整反映被測鋼管樁的結(jié)構(gòu)特性，因此可以通過對數(shù)字鋼樁進(jìn)行多維度、多視角檢測，可以反映現(xiàn)實(shí)世界中鋼管樁的生產(chǎn)質(zhì)量情況。

4 模型分析

通過對國華東臺四期（H2）300 MW海上風(fēng)電場的單樁進(jìn)行三維激光掃描，設(shè)計(jì)樁長57 815 mm，設(shè)計(jì)直徑為5 500 mm，壁厚65 mm，采用8個定制鞍座支撐的方式存放在堆場，根據(jù)實(shí)測的三維數(shù)據(jù)生成數(shù)字鋼管，并對數(shù)字鋼管樁模型進(jìn)行分析，可以獲得單樁長度、單樁外徑、斷面橢圓度、中軸線彎曲度、法蘭面橢圓度、法蘭面平整度、法蘭內(nèi)傾斜等質(zhì)量參數(shù)，從而可以全面反饋樁體出廠前的生產(chǎn)情況，并提出關(guān)鍵質(zhì)量數(shù)據(jù)作為出廠驗(yàn)收記錄。單樁出廠驗(yàn)收檢測結(jié)果匯總見表1。

表1 單樁出廠驗(yàn)收數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Single pile factory acceptance data record sheet

1）橢圓度檢測

通過單獨(dú)提取特征點(diǎn)部位來提高測量數(shù)據(jù)的說服力，并按需要進(jìn)行分段解析內(nèi)外徑的橢圓度。并根據(jù)典型斷面的數(shù)據(jù)信息，利用公式計(jì)算出橢圓度，橢圓度計(jì)算公式：（最大直徑-最小直徑）衣標(biāo)準(zhǔn)直徑伊100；如圖1所示。分段解析見圖2。

圖1 橢圓度分析Fig.1 Ellipticity analysis

圖2 分段解析Fig.2 Segment analysis

2）垂直度檢測

根據(jù)掃描數(shù)據(jù)擬合的中軸線，法蘭傾斜度計(jì)算采用的是虛擬中心線法，利用軸線上各典型斷面的中心位置數(shù)值，去除最大值和最小值后，得到算術(shù)平均值的中心線。再模擬出一個與中心線垂直的平面，計(jì)算出法蘭面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，可以直接顯示法蘭面外徑任意點(diǎn)與最低點(diǎn)的高差，這樣就可以得到真實(shí)的鋼樁垂直度和法蘭平整度數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 垂直度及法蘭平整度Fig.3 Verticality and flange flatness

根據(jù)檢測結(jié)果，合格的產(chǎn)品準(zhǔn)予出廠，不滿足設(shè)計(jì)要求的鋼樁，需要進(jìn)行整改后再次進(jìn)行檢測，對于法蘭橢圓度可采用千斤頂頂推的方式進(jìn)行糾正，法蘭傾斜度和法蘭傾斜度偏差可報(bào)設(shè)計(jì)同意后進(jìn)行打磨修正，偏差過大應(yīng)割除頂部管節(jié)重新制作，直至檢測合格。

5 創(chuàng)新點(diǎn)及結(jié)語

本系統(tǒng)基于3D視覺檢測技術(shù)，以三維激光掃描儀為主要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對超大鋼管樁的逆向建模，并基于數(shù)字模型進(jìn)行分析，從而獲取鋼管樁的生產(chǎn)質(zhì)量信息，有效地解決了傳統(tǒng)的全站儀觀測法耗時(shí)過長、檢測結(jié)果無法反映結(jié)構(gòu)特性等難題，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中優(yōu)質(zhì)高效地完成整體測量任務(wù)。

2）三維掃描技術(shù)相對于以往的全站儀局部測量，其測量數(shù)據(jù)更加科學(xué)、可靠。

3）通過優(yōu)化算法、達(dá)到簡化數(shù)據(jù)處理流程、提高數(shù)據(jù)處理效率、減少內(nèi)業(yè)工作量和時(shí)間。

4）利用虛擬數(shù)字模型進(jìn)行距離、角度、面積、體積等量測，也可實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)云任意切割、刪除、擬合等功能，生成質(zhì)量檢測所需要的成果。

5）可遠(yuǎn)距離非接觸式自動化測量，操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)、復(fù)雜、惡劣等不便操作儀器的場合。

6）相對傳統(tǒng)測量方式，工效較高，場地占用時(shí)間從原有的3耀4 h，降低為40耀45 min，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本系統(tǒng)的成果應(yīng)用，使海上沉樁施工控制在程序上得到了閉合，質(zhì)量上得到了保障，使得平面位置和樁身垂直度實(shí)測值均滿足和優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，社會效益顯著。同時(shí)提高了單樁出廠檢測的效率，降低了測量人員的工作強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)濟(jì)效益明顯，下一步可將3D視覺測量技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于導(dǎo)管架、升壓站等其他大型結(jié)構(gòu)三維逆向建模和成品質(zhì)量檢測領(lǐng)域，具有較高的推廣價(jià)值。