基于三維激光掃描技術(shù)在地鐵竣工檢測方向上應(yīng)用及研究

高瑞金

江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校 江蘇 南京 211100

本項目主要介紹采用三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在地鐵竣工檢測工作中的新技術(shù)方法，隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，逐漸開始在施工竣工檢測中得到很好的應(yīng)用，經(jīng)過實際測試可得出三維激光掃描技術(shù)在高精度數(shù)據(jù)獲取和檢核對比設(shè)計圖紙過程中具有良好效果，不僅僅區(qū)域數(shù)據(jù)齊全性問題[1]，而且具有較高的作業(yè)效率和數(shù)據(jù)精確度[2-4]。本文主要通過對三維激光掃描的外業(yè)作業(yè)流程、處理方法、對比方法及精度可用性，通過實際數(shù)據(jù)進行詳細(xì)說明，總結(jié)此技術(shù)在此方面的應(yīng)用的獨特優(yōu)勢。

1 三維激光掃描原理與方法

1.1 三維激光掃描儀基本原理

三維激光掃描儀的工作過程，實際上就是一個不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程，它通過具有一定分辨率的空間點（坐標(biāo)x,y,z，其坐標(biāo)系是一個與掃描儀設(shè)置位置和掃描姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系）所組成的點云圖來表達系統(tǒng)對目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。三維激光掃描技術(shù)是將實體的三維復(fù)雜信息通過激光的捕獲形成帶有屬性信息的實體三維點云模型，通過高速激光的掃描測量，獲取目標(biāo)的點、線、面、體、空間等三維實測數(shù)據(jù)進行高精度三維逆向建模，又稱實景復(fù)制技術(shù)[5-7]。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

為了能夠得到好的三維點云數(shù)據(jù)需要對采集的原始數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)處理通常包括各測站點云數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去噪和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作，數(shù)據(jù)拼接通過有多種方法，無目標(biāo)拼接、有目標(biāo)拼接以及采集過程實時自動處理拼接。

2 三維點云數(shù)據(jù)采集處理

2.1 研究項目概況

通過跨行業(yè)的技術(shù)融合將BIM信息化模型與逆向工程結(jié)合，利用精度達2mm的工業(yè)級Trimble X7三維激光掃描儀，對實際地鐵站場景掃描，通過對掃描模型的測量實現(xiàn)全方位測量；在虛擬環(huán)境下仿真模擬實際檢測過程，通過掃描模型與理論模型擬合對比分析，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)單元整體的數(shù)字預(yù)拼裝。圖1為整體技術(shù)流程。

圖1 整體技術(shù)流程

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先，工件的大小、位置、形狀等情況，布設(shè)好各測站位置，規(guī)劃掃描站數(shù)和需要測量的特征數(shù)據(jù)，確保獲取的數(shù)據(jù)齊全、完整和可用。測站位置的布設(shè)要在地鐵站內(nèi)的多個角度分別架設(shè)掃描站，并且在遠處盡量高的位置架設(shè)確保工件頂部可以獲取完整數(shù)據(jù)，相臨測站之間要具有一定重復(fù)性，可以在后期完成數(shù)據(jù)的整體拼接[8-9]。圖2為Trimble X7三維激光掃描儀現(xiàn)場作業(yè)情況。

圖2 實際地鐵站數(shù)據(jù)采集

通過利用專業(yè)的三維數(shù)據(jù)處理軟件，對點云進行后處理，將整體點云數(shù)據(jù)拼接、去噪、分割、抽吸、格式轉(zhuǎn)換最終輸出到檢測軟件polyworks中。

通過圖3可知典型點云間隔分布在1-3mm左右，這種點間距主要依據(jù)掃描儀的擋位設(shè)定和掃描儀距離被測物體的距離，距離遠近和擋位高低都會不同程度影像點云的整體密度和點間距。

圖3 平均點間距量取

圖4 整體點云展示

圖5 設(shè)計模型與實際點云模型對比檢測

3 研究成果分析

3.1 點云模型與設(shè)計模型擬合

數(shù)字化檢測就是利用原始設(shè)計模型與掃描獲取到的三維點云模型進行對比檢測，在對工件進行檢測時，需要將兩種數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到檢測軟件中，由于兩種屬于不同類型數(shù)據(jù)，無法完全拼接，利用特征點選區(qū)的方法分別在三維點云模型數(shù)據(jù)上和設(shè)計模型上分別點同名點坐標(biāo)，軟件會根據(jù)所選取的點特征信息進行自動擬合對齊[10-12]。

3.2 點云模型與設(shè)計模型對比檢測

預(yù)對齊后軟件會自動作迭代計算精細(xì)對齊兩個數(shù)據(jù)，并且可以通過設(shè)置最大距離，采樣率等參數(shù)將對齊精度控制在理想范圍。根據(jù)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向以及數(shù)據(jù)偏差調(diào)整的工藝裝備的位置，直到測量數(shù)據(jù)在理論數(shù)據(jù)的尺寸公差范圍內(nèi)，進行外形尺寸檢測以及質(zhì)量控制，這種數(shù)字化測量方法使工作效率與檢測精度大幅度提高[13]。

使用最佳擬合對齊數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)彩圖，具體的公差范圍，色度帶都可以自由定制，實現(xiàn)多種檢測成果。這種檢測方式可以將要檢測的數(shù)據(jù)的單點位置、周圍面積區(qū)域、大型沖壓工件的曲面輪廓進行有效的檢測,并且通過檢測可以對構(gòu)件部分原材料需預(yù)設(shè)反變形精度得到有效的控制。如圖所示。

此時可以對選定的檢測公共點進行檢測測量，通過對比原始數(shù)字模型和虛擬三維點云模型，分析兩者的偏差情況，對點云數(shù)據(jù)進行創(chuàng)建注釋，可以顯示任意一點的誤差數(shù)值，并且可以自定義字段設(shè)置注釋內(nèi)容。如對工件定位角點、拐點、特征點、定位孔進行自定義標(biāo)注檢測[14-15]。

創(chuàng)建數(shù)據(jù)餅圖，查看誤差分布范圍，可以合理評估整體施工質(zhì)量。

3.3 檢測結(jié)果分析

從圖6可以直觀分析出，該工件的質(zhì)量整體誤差，其中因兩種模型的細(xì)節(jié)存在微結(jié)構(gòu)差異，將標(biāo)準(zhǔn)參考值設(shè)定為0，整體質(zhì)量誤差分為-50mm到標(biāo)準(zhǔn)值0，0到正向誤差50mm，其中誤差中主要集中在30mm以內(nèi)，并且占整體的80%，由此可以確定該工件是否符合理論設(shè)計要求[16-17]。

圖6 檢測參數(shù)設(shè)定

圖7 三維坐標(biāo)檢測彩圖

圖8 誤差統(tǒng)計餅狀圖

圖9 特征結(jié)構(gòu)檢測點三維誤差統(tǒng)計

圖10 整體檢測信息統(tǒng)計

4 總結(jié)

逆向檢測工程設(shè)計是一項開拓性、創(chuàng)新性、實用性和綜合性很強的技術(shù)，點云數(shù)據(jù)的采集及后續(xù)的處理是逆向工程中至關(guān)重要的一步。本文以實際項目應(yīng)用為例，闡述了利用設(shè)計模型對實際掃描的三維點云數(shù)據(jù)對比檢測的技術(shù)方案和基本原理，并對施工后的土建建筑設(shè)施質(zhì)量精度做了詳細(xì)的分析和論述，幫助竣工質(zhì)檢人員快速、準(zhǔn)確的把控生產(chǎn)質(zhì)量，大大提高整體地鐵項目的施工和質(zhì)檢質(zhì)量。地鐵施工檢測方向研究主要是通過三維激光掃描技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)，自動生成檢測數(shù)字化模型，實現(xiàn)與理論模型數(shù)據(jù)擬合分析，軟件自動進行誤差計算。此種虛擬檢測技術(shù)方法與傳統(tǒng)人工全站儀或皮尺量測，具有較大的優(yōu)勢，尤其在復(fù)雜空間建筑結(jié)構(gòu)尤其復(fù)雜的土建方面，采用模擬預(yù)拼裝技術(shù)可以節(jié)省大量人工、措施及設(shè)備投入，且不占用預(yù)拼裝場地，對提高鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝質(zhì)量、效率起到質(zhì)的改變，是工廠逆向工程中最為至關(guān)重要的一個技術(shù)環(huán)節(jié)。