基于三維激光掃描的高拱壩倉(cāng)面鋼筋網(wǎng)智能識(shí)別方法

譚堯升，楊 帥，鄭驍峰，任炳昱

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038；2.中國(guó)三峽建工(集團(tuán))有限公司，四川 成都 610041；3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 引 言

混凝土振搗作為混凝土壩施工建設(shè)過(guò)程中必不可少的一道工序，對(duì)混凝土壩的安全起到至關(guān)重要的作用?；炷猎跀嚢琛⑦\(yùn)輸和澆注過(guò)程，會(huì)夾帶進(jìn)去由空氣所產(chǎn)生的氣泡，這些氣泡的存在會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，從而增加了混凝土的滲透性、降低混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)還會(huì)造成混凝土外觀缺陷，出現(xiàn)蜂窩、氣泡等現(xiàn)象[1]?；炷琳駬v施工主要作用即排出混凝土中摻雜的氣泡，使混凝土密實(shí)，減少孔隙，以達(dá)到提高混凝土密實(shí)度和耐久度的目的。

目前應(yīng)用于混凝土壩建設(shè)過(guò)程中的振搗機(jī)械主要包括振搗臺(tái)車(chē)和手持式振搗器。振搗臺(tái)車(chē)是一種裝有成組的機(jī)載插入式振動(dòng)器，其主要用于混凝土壩大倉(cāng)面、大體積混凝土振搗過(guò)程。但是當(dāng)振搗臺(tái)車(chē)用于靠近鋼筋網(wǎng)、模板、止水片等附近區(qū)域時(shí)，由于其本身的精確度不高，加之駕駛?cè)藛T的操作影響，很容易發(fā)生碰撞，其強(qiáng)大的振激力也會(huì)導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)、模板等變形。因此，在實(shí)際施工中，靠近鋼筋網(wǎng)、模板等附近區(qū)域的混凝土振搗工作則需要由施工人員采用手持式振搗器完成。人工振搗雖然可以很好地解決鋼筋網(wǎng)、模板等附近區(qū)域的混凝土振搗問(wèn)題，但人工振搗效率低，對(duì)施工人員操作能力有一定要求，一旦施工人員操作不熟或缺乏經(jīng)驗(yàn)，就很容易導(dǎo)致振搗時(shí)間、插入角度等重要振搗參數(shù)不達(dá)標(biāo)，從而難以保障混凝土強(qiáng)度。人工振搗還需要對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行作業(yè)順序配置，以防止發(fā)生重復(fù)振搗、漏振等問(wèn)題，不便于施工管理。隨著傳統(tǒng)的人工振搗控制與物聯(lián)網(wǎng)、GNSS定位技術(shù)、超聲波探測(cè)技術(shù)等相結(jié)合，逐漸實(shí)現(xiàn)了智能振搗作業(yè)[2]。通過(guò)多元傳感器實(shí)時(shí)獲取、傳輸振搗時(shí)間、插入角度、插入深度等振搗參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋[3]是當(dāng)前大壩混凝土振搗常用的控制手段?？蛇m用于邊角區(qū)域的振搗機(jī)器人也開(kāi)始得到研究。然而邊角區(qū)域鋼筋網(wǎng)密布，如何實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)智能識(shí)別，為振搗機(jī)器人作業(yè)位置規(guī)劃是當(dāng)前需要研究的重要內(nèi)容。

現(xiàn)有鋼筋識(shí)別技術(shù)多用于混凝土內(nèi)部鋼筋缺陷探測(cè)和鋼筋計(jì)數(shù)方面，張?zhí)烊餥4]利用在CNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型框架基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的SCNet對(duì)鋼筋混凝土的銹蝕裂縫進(jìn)行識(shí)別，并驗(yàn)證了其在不同環(huán)境下的可測(cè)性和優(yōu)越性；李姝凡[5]提出采用無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法K-Means和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)探地雷達(dá)檢測(cè)過(guò)程中的干擾進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了利用探地雷達(dá)實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部鋼筋病害的探測(cè)分析；林春旭[6]則在探地雷達(dá)的基礎(chǔ)上，利用深度學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)利用SSD模型對(duì)地下鋼筋和管線的智能識(shí)別；王明明[7]在使用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)鋼筋進(jìn)行匹配計(jì)數(shù)的同時(shí)，將算法編入Andriod系統(tǒng)，搭建了一種基于Android的鋼筋斷面識(shí)別與計(jì)數(shù)平臺(tái)；趙豐年[8]通過(guò)對(duì)聲發(fā)射能量、峰值頻率和幅度等特征參數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行分析，來(lái)識(shí)別鋼筋混凝土表面的不同破壞形式；徐茂輝等[9]針對(duì)雷達(dá)檢測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中存在的上層鋼筋遮擋下層鋼筋的問(wèn)題，對(duì)上下層鋼筋相平行或垂直時(shí)的雷達(dá)圖像特征進(jìn)行了研究，得出了一些對(duì)鋼筋混凝土的雷達(dá)檢測(cè)有用的結(jié)論。

同時(shí)，當(dāng)前還有其他利用圖像分割[10]、圖像識(shí)別技術(shù)[11-12]對(duì)鋼筋數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的研究與應(yīng)用。然而，上述研究都是對(duì)鋼筋本體或其表面的損壞形式進(jìn)行識(shí)別和分析，缺少對(duì)鋼筋的識(shí)別定位分析，未能為施工現(xiàn)場(chǎng)中鋼筋密集區(qū)的智能化施工提供有效的鋼筋網(wǎng)格檢測(cè)方式。為此，本文主要針對(duì)施工環(huán)境中鋼筋網(wǎng)格的識(shí)別定位問(wèn)題，采用理論分析與實(shí)踐論證相結(jié)合的方式進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：

(1)提出鋼筋網(wǎng)格識(shí)別方法。首先，通過(guò)激光雷達(dá)進(jìn)行周?chē)h(huán)境感知，獲得倉(cāng)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其次，對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到點(diǎn)云三維坐標(biāo)。對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行篩選后，得到能夠表示鋼筋網(wǎng)格的點(diǎn)云坐標(biāo)，并根據(jù)該部分點(diǎn)云坐標(biāo)特征，得到鋼筋網(wǎng)格交叉點(diǎn)。最后，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算獲得鋼筋網(wǎng)格中心坐標(biāo)。

(2)對(duì)鋼筋網(wǎng)格識(shí)別方法進(jìn)行工程驗(yàn)證。將本文提出的鋼筋網(wǎng)格識(shí)別方法應(yīng)用于某混凝土壩工程，識(shí)別其倉(cāng)面鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)云圖，并與現(xiàn)場(chǎng)的鋼筋網(wǎng)格安裝信息進(jìn)行比較，驗(yàn)證激光雷達(dá)探測(cè)鋼筋網(wǎng)格的可行性和準(zhǔn)確性。

1 激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)概述

1.1 激光雷達(dá)及其工作原理

激光雷達(dá)是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是以發(fā)射激光束來(lái)探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，由激光發(fā)射單元和激光接收單元組成。其工作原理是向覆蓋范圍內(nèi)發(fā)射激光束，激光束打在物體上引起散射，然后接收從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)，并與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較和適當(dāng)處理，最終獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。激光雷達(dá)裝有多對(duì)激光發(fā)射接收模組，其電機(jī)可以以多種不同頻率的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)進(jìn)行360°掃描，從而建立測(cè)量對(duì)象相對(duì)于激光雷達(dá)的三維坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)坐標(biāo)系和掃描方向示意

圖2 鋼筋網(wǎng)識(shí)別計(jì)算方法

激光雷達(dá)采用飛行時(shí)間測(cè)量法進(jìn)行對(duì)象測(cè)量。激光雷達(dá)從發(fā)出激光脈沖開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)激光遇到目標(biāo)物體激光返回，接收端停止計(jì)時(shí)，其空間距離為

r=v(t2-t1)/2

(1)

式中，r為距離，m；v為光速，取3×108m/s；t1為激光雷達(dá)脈沖開(kāi)始時(shí)間，s；t2為激光雷達(dá)脈沖結(jié)束時(shí)間，s。

1.2 激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

激光雷達(dá)掃描方法最開(kāi)始被應(yīng)用于海洋深度的測(cè)算，并在20世紀(jì)90年代與全球定位系統(tǒng)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)掃描的定位定姿。隨著激光雷達(dá)的發(fā)展和其他技術(shù)的出現(xiàn)與完善，激光雷達(dá)探測(cè)掃描技術(shù)與更多的先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，并逐漸應(yīng)用于立體制圖、地質(zhì)學(xué)、城市規(guī)劃、環(huán)境探測(cè)和水利工程等領(lǐng)域，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供了重要的原始資料和技術(shù)方法。師恒等[13]采用激光雷達(dá)持續(xù)掃描火箭，對(duì)得到火箭的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)了火箭垂直起飛過(guò)程中的實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量；葉晟等[14]提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)參數(shù)DBSCAN算法，并將該算法用于點(diǎn)云聚類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)近距離障礙物和遠(yuǎn)距離目標(biāo)的聚類(lèi)，并在水面目標(biāo)檢測(cè)中得到了驗(yàn)證；張英等[15]通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載三維激光雷達(dá)，對(duì)無(wú)人機(jī)巡線過(guò)程中的樹(shù)木進(jìn)行點(diǎn)云獲取，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后實(shí)現(xiàn)了三維激光雷達(dá)無(wú)人機(jī)樹(shù)障檢測(cè)和距離測(cè)量；王天璽[16]利用改進(jìn)的隨機(jī)森林算法處理激光雷達(dá)掃描得到的點(diǎn)云噪聲，實(shí)現(xiàn)了行人的檢測(cè)和位置預(yù)測(cè)。綜上所述，激光雷達(dá)具有分割識(shí)別功能、障礙物追蹤功能和定位功能，因此，在復(fù)雜的高拱壩倉(cāng)面施工環(huán)境中，使用激光雷達(dá)進(jìn)行鋼筋網(wǎng)格的識(shí)別便具有了可能。

激光雷達(dá)之所以能得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)橄啾容^于傳統(tǒng)雷達(dá)，激光雷達(dá)采用了工作頻率更高的激光束代替了微波來(lái)進(jìn)行目標(biāo)的探測(cè)，這使得它能夠獲得更高的角度、距離和速度分辨率，也意味著它可以通過(guò)距離——多普勒成像技術(shù)來(lái)獲得較為清晰的目標(biāo)圖像。除工作頻率高以外，激光束還具有方向性好，光束較窄的特點(diǎn)，加之激光雷達(dá)口徑較小的發(fā)射系統(tǒng)和較窄的接受區(qū)域，它就有了很好的抗有源干擾的能力，這在環(huán)境復(fù)雜和機(jī)械設(shè)備較多的水利施工環(huán)境中有著明顯的優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)還具有體積小，質(zhì)量較輕的特點(diǎn)，以C32-xxxC型的激光雷達(dá)為例，其整體呈橢圓柱狀，最大外徑為120 mm，標(biāo)準(zhǔn)型質(zhì)量為1 600 g，能夠安裝在水利施工環(huán)境中大多數(shù)的施工設(shè)備上。目前，激光雷達(dá)在水利工程領(lǐng)域主要還是應(yīng)用于測(cè)繪過(guò)程，但隨著技術(shù)的進(jìn)步、硬件設(shè)備的完善和智慧水利的不斷推進(jìn)，激光雷達(dá)必將應(yīng)用于水利行業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域[17]，在大型水利工程的建設(shè)中也必然會(huì)發(fā)揮巨大的作用。

2 基于三維激光掃描的高拱壩倉(cāng)面鋼筋網(wǎng)智能識(shí)別方法

基于三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行倉(cāng)面鋼筋網(wǎng)識(shí)別的方法，即通過(guò)激光雷達(dá)進(jìn)行周?chē)h(huán)境感知，獲得倉(cāng)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到點(diǎn)云三維坐標(biāo)。本文提出了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)分析方法，根據(jù)點(diǎn)云坐標(biāo)特征，得到鋼筋網(wǎng)橫、縱向鋼筋交叉點(diǎn)，從而分析建立鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)智能識(shí)別。

2.1 基于激光雷達(dá)的點(diǎn)云模型采集

本文采用32線激光雷達(dá)。激光雷達(dá)發(fā)射激光束，通過(guò)測(cè)量光線發(fā)射出去打到物體反射回來(lái)的時(shí)間來(lái)計(jì)算激光雷達(dá)到目標(biāo)物體之間的距離并以此形成數(shù)據(jù)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)得到數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，用于描述同一物體的數(shù)據(jù)點(diǎn)則像云一樣匯聚在一起，稱(chēng)之為“點(diǎn)云”。激光雷達(dá)點(diǎn)云具有不均勻性，目標(biāo)距離近密度大，目標(biāo)距離遠(yuǎn)密度小。激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每一個(gè)點(diǎn)都包含了三維坐標(biāo)信息(即x、y、z)、顏色信息、反射強(qiáng)度信息、回波次數(shù)信息等。通過(guò)激光雷達(dá)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要以數(shù)據(jù)包的形式儲(chǔ)存。對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，可以得到32線激光雷達(dá)每一線的相對(duì)水平角度、測(cè)距信息、強(qiáng)度數(shù)據(jù)等，這為后續(xù)各點(diǎn)的三維坐標(biāo)屬性，即x、y、z值的計(jì)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

基于該方法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，主要包括點(diǎn)號(hào)(point ID)、空間(x、y、z)坐標(biāo)、方位角(azimuth)、距離(distance)、反射強(qiáng)度(intensity)、雷達(dá)通道(laser ID)、調(diào)節(jié)時(shí)間(adjustment)、時(shí)間戳(timestamp)等。

方位角(即水平角度值)為標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)塊32次激光發(fā)射中第1次發(fā)射測(cè)距時(shí)的角度值，是32線激光雷達(dá)中0號(hào)通道的角度值，單位為0.01°。其他通道所對(duì)應(yīng)的方位角需要經(jīng)過(guò)插值得到。該角度為相對(duì)值，由于32線激光雷達(dá)的發(fā)射器由多列組成，若要計(jì)算水平角度值則需要再該角度上加上一個(gè)水平修正角度，修正角度順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，它同樣因激光雷達(dá)通道而異，一般在設(shè)備包中定義，每臺(tái)雷達(dá)固定不變。

距離值主要通過(guò)將數(shù)據(jù)包中的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)并乘以相應(yīng)的單位得到。

在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，極坐標(biāo)下的角度和距離信息即可轉(zhuǎn)化到右手笛卡爾坐標(biāo)系下的(x、y、z)坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(2)

式中，α為垂直角度；θ為水平旋轉(zhuǎn)角度；x、y、z分布為極坐標(biāo)投影到x、y、z軸上的坐標(biāo)。

2.2 鋼筋網(wǎng)識(shí)別計(jì)算方法

鋼筋網(wǎng)識(shí)別主要通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)篩選和點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征信息統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)。主要步驟為：

(1)按照水平角度Azimuth進(jìn)行第一次點(diǎn)云數(shù)據(jù)篩選，選擇所探測(cè)的鋼筋網(wǎng)角度范圍，得到鋼筋網(wǎng)方向點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(2)對(duì)步驟(1)中的點(diǎn)云依照坐標(biāo)進(jìn)行篩選，刪除0高程或倉(cāng)面高程坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)對(duì)剩余點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照反射強(qiáng)度進(jìn)行篩選，得到鋼筋網(wǎng)點(diǎn)云坐標(biāo)。

(4)對(duì)篩選過(guò)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)向鋼筋網(wǎng)所在平面進(jìn)行二維投影，得到鋼筋網(wǎng)點(diǎn)云分布圖，該點(diǎn)云分布圖已初步具有鋼筋網(wǎng)格的形狀。對(duì)上述二維圖點(diǎn)云分別進(jìn)行x、y兩個(gè)方向的一維投影。以x方向?yàn)槔瑢?duì)x方向的坐標(biāo)軸進(jìn)行劃分，得到若干個(gè)區(qū)間，將投影至各個(gè)區(qū)間的點(diǎn)云數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到點(diǎn)云分布直方圖。直方圖中所顯示的點(diǎn)云分布集中位置即為一根鋼筋的位置，將兩個(gè)方向上的鋼筋位置進(jìn)行組合，得到縱向鋼筋與橫向鋼筋的交點(diǎn)位置，記為(xn，yn)。

(5)根據(jù)各個(gè)交點(diǎn)位置的坐標(biāo)(xn，yn)進(jìn)行計(jì)算，得到鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)中心位置。

3 工程實(shí)際

某高混凝土壩工程位于我國(guó)西南地區(qū)，最大壩高289 m，水庫(kù)正常蓄水位825 m。該工程倉(cāng)面上下游面布置雙層鋼筋網(wǎng)，如圖3所示。倉(cāng)面最外層為模板，向內(nèi)分別為外層鋼筋網(wǎng)、內(nèi)層鋼筋網(wǎng)。外層鋼筋網(wǎng)與模板之間的距離為40 cm，內(nèi)外層鋼筋網(wǎng)之間的距離為30 cm，同向鋼筋之間的距離為30 cm。

圖3 某工程上下游鋼筋網(wǎng)示意

本次工程采用的激光雷達(dá)型號(hào)為32線均勻1°激光雷達(dá)，其底座有2個(gè)定位孔和5個(gè)安裝孔，數(shù)據(jù)線接口為水平角0°位置(也可以設(shè)置為水平180°)，雷達(dá)沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。32線激光雷達(dá)纜線為10芯屏蔽線，主要用于電源連接、GPS信號(hào)的授時(shí)接收和差分信號(hào)的發(fā)射與接受。

激光雷達(dá)在倉(cāng)面的擺放位置如圖4所示。激光雷達(dá)距離內(nèi)層鋼筋網(wǎng)92 cm，距離地面高度70 cm。激光雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)并經(jīng)過(guò)計(jì)算得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)表，通過(guò)MATLAB對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維散點(diǎn)圖繪制，得到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維分布圖，如圖5所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)激光雷達(dá)擺放位置

圖5 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維分布

根據(jù)激光雷達(dá)接線口位置可以推斷，點(diǎn)云中鋼筋網(wǎng)所在水平角度(azimuth)范圍約為100°至260°，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，同時(shí)刪除倉(cāng)面高程坐標(biāo)點(diǎn)，并對(duì)剩余點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照反射強(qiáng)度進(jìn)行篩選，保留反射強(qiáng)度低于64的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到鋼筋網(wǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)該部分點(diǎn)云向鋼筋網(wǎng)所在平面進(jìn)行二維投影，得到鋼筋網(wǎng)點(diǎn)云散點(diǎn)圖，如圖6所示。

圖6 鋼筋網(wǎng)點(diǎn)云二維分布

由圖5可知，初步看出鋼筋網(wǎng)格的形狀以及縱向橫向的鋼筋分布。但由于激光雷達(dá)探測(cè)精度隨距離增大逐漸降低，故探測(cè)到的有效鋼筋點(diǎn)云呈現(xiàn)出中間部位點(diǎn)云較為密集，而兩側(cè)點(diǎn)云較為稀疏。加之32線激光雷達(dá)的多線激光束之間間隔一定角度，故越遠(yuǎn)的物體，其縱向點(diǎn)之間的距離越大。而當(dāng)物體距離激光雷達(dá)距離較近時(shí)，由于激光雷達(dá)個(gè)激光線束還未能充分發(fā)散開(kāi)，這在一定程度上使得其掃描到的物體可能不全。因此，圖6中掃描得到的鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)云中，由于位于中間部位的鋼筋距離激光雷達(dá)較近，其形成的點(diǎn)云也較短也較為密集，而兩側(cè)的稍遠(yuǎn)位置的鋼筋掃描得到的鋼筋點(diǎn)云則較長(zhǎng)。因此，可知激光雷達(dá)的擺放位置極其與目標(biāo)之間的相對(duì)距離對(duì)其掃描得到的點(diǎn)云分布有著明顯的影響。

對(duì)篩選得到的鋼筋網(wǎng)點(diǎn)云向x軸和y軸投影，并分別按照0.1和0.02的區(qū)間進(jìn)行劃分，得到點(diǎn)云分布直方圖，如圖7所示。由圖7可知，由于目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，激光雷達(dá)的精度越低，因此激光雷達(dá)所檢測(cè)到的鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)云呈現(xiàn)中間(距離近)較多，兩側(cè)(遠(yuǎn))較少的分布，其中點(diǎn)云集中部位為垂直該方向的鋼筋，點(diǎn)云分布稀疏的為平行于該方向的鋼筋，故每當(dāng)點(diǎn)云突增時(shí)，便可以判定該位置有一根垂直于該方向的鋼筋出現(xiàn)。

圖7 y軸投影(上)和x軸投影(下)點(diǎn)云分布直方圖

在圖7a中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布較為密集的區(qū)間為橫向鋼筋分布區(qū)域。由中心向兩側(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)逐漸減少，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)突然呈現(xiàn)增多時(shí)，為兩側(cè)橫向鋼筋分布區(qū)域。例如，圖8所標(biāo)記的三根直方圖統(tǒng)計(jì)條紋，對(duì)應(yīng)于圖7a中標(biāo)記位置(由于0.2區(qū)間點(diǎn)云個(gè)數(shù)少于0.22區(qū)間點(diǎn)云個(gè)數(shù)的60%，故不計(jì)算在內(nèi))，其統(tǒng)計(jì)區(qū)間中位數(shù)、統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云個(gè)數(shù)分別為(0.22，351)、(0.24，353)、(0.26，357)，總統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云個(gè)數(shù)為1061，各統(tǒng)計(jì)區(qū)間所占頻率分別為0.331、0.333、0.336。由各區(qū)間中位數(shù)乘以頻率，并最終求和得到該處橫向鋼筋分布直線約為y=0.24。最終得到3根橫向鋼筋分布點(diǎn)為y=0.24，y=-0.04，y=-0.32。

圖8 部分區(qū)間點(diǎn)云統(tǒng)計(jì)詳細(xì)信息

在圖7b中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布較為密集的區(qū)間為縱向鋼筋分布區(qū)域。由中心向兩側(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)逐漸減少，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)突然呈現(xiàn)部分增多時(shí)，為縱向鋼筋分布區(qū)域。根據(jù)直方圖分布得到縱向鋼筋分布點(diǎn)為x=[-2.8，-2.5，-2.2，-1.9，-1.6，-1.148，-0.7，-0.4，-0.1，0.2，0.5，0.8，1.1，1.4，1.7，2.0，2.3，2.6，2.9]。其中，點(diǎn)x=-1.148誤差較大，可能存在較大干擾，故舍棄。對(duì)x軸投影點(diǎn)云分布直方圖按區(qū)間0.02劃分得到分布如圖9所示，得到分布點(diǎn)與上述相差均在0.2以內(nèi)。

圖9 區(qū)間寬度為0.02的x軸投影點(diǎn)云分布直方圖

由上述y分布點(diǎn)及x分布點(diǎn)兩兩組合可以得到鋼筋交點(diǎn)坐標(biāo)，如圖10所示。

圖10 鋼筋交點(diǎn)坐標(biāo)

由相鄰鋼筋交點(diǎn)坐標(biāo)求和得平均值，即可得到鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)，最終所得鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)如圖11所示。

圖11 鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用效果，可得y方向鋼筋間距約為28 cm，x方向鋼筋間距約為28～30 cm，誤差約為6%。縱向鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量探測(cè)數(shù)目為2，橫向鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)探測(cè)數(shù)目為15個(gè)左右，在工程應(yīng)用當(dāng)中可以較好地對(duì)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行識(shí)別定位。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種通過(guò)三維激光掃描對(duì)高拱壩倉(cāng)面鋼筋網(wǎng)進(jìn)行智能識(shí)別的方法，該方法通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)掃描到的點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，得到有效點(diǎn)云。對(duì)有效點(diǎn)云進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)高拱壩倉(cāng)面鋼筋網(wǎng)的識(shí)別。工程實(shí)際驗(yàn)證該方法能夠有效地識(shí)別縱向橫向鋼筋之間的間距，并能夠通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理得到鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)。但在進(jìn)行分析處理的過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)該方法存在的問(wèn)題：

(1)激光雷達(dá)的識(shí)別精度與距離呈負(fù)相關(guān)，距離越大，其精度越低，故識(shí)別范圍有限。

(2)本文所提出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的篩選方法依賴于激光雷達(dá)的擺放與目標(biāo)區(qū)域的方位，還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

(3)相比較于激光雷達(dá)所識(shí)別的其他物體而言，鋼筋網(wǎng)格的識(shí)別精度較低，且該方法難以對(duì)噪聲點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和處理。