基于三維點(diǎn)云模型預(yù)制鋼構(gòu)件尺寸檢測(cè)方法

蒲 潔，雍正陽(yáng)，袁梓環(huán)，劉海亮

（中國(guó)建筑第八工程有限公司西南分公司，四川 成都 610051）

0 引言

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展以及鋼產(chǎn)量的不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)在橋梁鄰域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中大型復(fù)雜的鋼橋塔也逐漸增多。由于運(yùn)輸或吊裝等條件限制，其施工方式一般采用分段、分體的方式進(jìn)行工廠預(yù)制，然后到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，為了保證現(xiàn)場(chǎng)安裝順利實(shí)施，必須對(duì)預(yù)制構(gòu)件尺寸進(jìn)行精確檢測(cè)。傳統(tǒng)的預(yù)制構(gòu)件制作精度檢測(cè)方法主要是手動(dòng)，并且依賴于單點(diǎn)近似線性測(cè)量，對(duì)于幾何簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是方便的，但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)則費(fèi)時(shí)、不精確且不能全面地掌握構(gòu)件的尺寸情況［1］。

三維激光掃描技術(shù)具有速度快、范圍廣、精度高、非接觸等特點(diǎn)［2］，能夠快速采集完整、精細(xì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面幾何數(shù)據(jù)，可將構(gòu)件以海量點(diǎn)云的形式和近乎零偏差地復(fù)制到電腦中。利用點(diǎn)云模型即可通過(guò)方便的內(nèi)業(yè)操作獲取預(yù)制構(gòu)件的各種幾何參數(shù)［3］。本文提出一種基于三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云模型進(jìn)行預(yù)制鋼構(gòu)件尺寸檢測(cè)的方法，利用三維激光掃描技術(shù)準(zhǔn)確、快速地獲取構(gòu)件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過(guò)一定點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，得到結(jié)構(gòu)的高精度逆向模型，通過(guò)對(duì)得到的點(diǎn)云模型與理論模型進(jìn)行不同角度對(duì)齊對(duì)比分析，對(duì)預(yù)制構(gòu)件的制作誤差，進(jìn)行是否需要校正和重制的判斷。本文以某預(yù)制鋼橋塔的 A 節(jié)段為例子，闡述了三維激光掃描技術(shù)在鋼構(gòu)件加工制造過(guò)程中進(jìn)行尺寸分析的技術(shù)，較好地解決了復(fù)雜鋼構(gòu)件的制作質(zhì)量檢測(cè)和效率問(wèn)題。

1 基于三維激光掃描的鋼構(gòu)件制作誤差檢測(cè)流程

基于三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行預(yù)制鋼構(gòu)件制作誤差檢測(cè)的流程如圖1 所示。首先，通過(guò)一定掃描方案掃描儀獲取鋼構(gòu)件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)、去噪和精簡(jiǎn)等點(diǎn)云預(yù)處理操作，為高精度點(diǎn)云重建奠定基礎(chǔ)；然后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重建并進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，得到構(gòu)件點(diǎn)云模型；其次，通過(guò)點(diǎn)云模型與理論模型的最佳擬合匹配，大致獲得鋼構(gòu)件制作 3D 偏差范圍，掌握構(gòu)件的整體預(yù)制質(zhì)量情況；最后，基于特征面最佳擬合匹配，得到影響構(gòu)件拼接質(zhì)量的構(gòu)件拼接面關(guān)鍵參數(shù)誤差，通過(guò)綜合考慮整體偏差和關(guān)鍵參數(shù)偏差，對(duì)預(yù)制構(gòu)件是否校正和重制進(jìn)行判斷。

圖1 預(yù)制構(gòu)件檢測(cè)流程圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本研究采用 Leica Scan Station P40 地面三維激光掃描儀對(duì)某預(yù)制鋼橋塔的 A 節(jié)段進(jìn)行掃描。其掃描參數(shù)如表1 所示。鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取中，為了減少測(cè)站次數(shù)，提高數(shù)據(jù)獲取效率，主要獲取預(yù)制構(gòu)件關(guān)鍵部位點(diǎn)云，如拼接面點(diǎn)云和外輪廓信息，其余部位缺失點(diǎn)云后期基于特征擬合進(jìn)行補(bǔ)全。總共布設(shè) 4 站進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，所使用的測(cè)站與標(biāo)靶布設(shè)方案如圖2 所示，每?jī)蓽y(cè)站之間有兩個(gè)相同的標(biāo)靶，使各站點(diǎn)云相互聯(lián)系起來(lái)。

表1 徠卡 ScanStation P40 掃描參數(shù)

圖2 掃描測(cè)站和標(biāo)靶布置

2.2 點(diǎn)云配準(zhǔn)

由于掃描儀掃描范圍的限制和橋塔節(jié)段預(yù)制構(gòu)件的復(fù)雜性、遮擋等問(wèn)題，一次測(cè)站往往不能將構(gòu)件掃描完全，需要分多站獲取構(gòu)件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)且各站掃描數(shù)據(jù)都是以各測(cè)站掃描儀中心為原點(diǎn)建立的獨(dú)立坐標(biāo)系所獲得。為了得到三維點(diǎn)云模型，需要進(jìn)行配準(zhǔn)工作，將各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一致的坐標(biāo)系下。常用的配準(zhǔn)方法有基于特征的配準(zhǔn)方法、標(biāo)靶配準(zhǔn)、自動(dòng)配準(zhǔn)方法［4］。本文采用 Cyclone 軟件中基于標(biāo)靶配準(zhǔn)方法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，相鄰兩站配準(zhǔn)最大誤差為 1.2 mm，構(gòu)件整體配準(zhǔn)誤差為 0.3 mm，配準(zhǔn)精度較高，滿足精度要求。橋塔 A 節(jié)段點(diǎn)云配準(zhǔn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 橋塔 A 節(jié)段點(diǎn)云配準(zhǔn)結(jié)果

2.3 點(diǎn)云精簡(jiǎn)

通過(guò)三維激光掃描得到的原始點(diǎn)云密度很大，過(guò)密的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在后續(xù)的處理、存儲(chǔ)、顯示和傳輸中占用大量系統(tǒng)資源，降低了處理速度和運(yùn)算效率［5］。點(diǎn)云精簡(jiǎn)就是在盡量減少點(diǎn)云特征損失的情況下，降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，提高后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理效率。本文采用 PCL 點(diǎn)云庫(kù)中的 VoxelGrid 類對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行體素化下采樣。其基本原理是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在三維坐標(biāo)軸上的最值創(chuàng)建三維體素網(wǎng)格，然后設(shè)置需要拆分的小立方網(wǎng)格的邊長(zhǎng)，將三維體素網(wǎng)格均勻劃分為邊長(zhǎng)為 voxel1 的小網(wǎng)格，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)放入對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格中，并刪除不包含數(shù)據(jù)點(diǎn)的小網(wǎng)格。對(duì)于包含數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格，用數(shù)據(jù)重心點(diǎn)代替網(wǎng)格中所有的點(diǎn)，然后刪除其余的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以達(dá)到下采樣的效果。經(jīng)過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)后，橋塔 A 節(jié)段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為 5931270，voxel1 設(shè)置為 0.005 m，通過(guò)體素化下采樣后點(diǎn)云量為 1 540 407，精簡(jiǎn)后點(diǎn)云如圖4 所示，精簡(jiǎn)率為 74 %，較好地保留了點(diǎn)云細(xì)節(jié)特征，且大大降低了點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量。

圖4 橋塔 A 節(jié)段點(diǎn)云精簡(jiǎn)結(jié)果

2.4 點(diǎn)云去噪

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，由于設(shè)備精度、操作者經(jīng)驗(yàn)、視線遮擋、環(huán)境條件、掃描范圍等因素的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中將不可避免地出現(xiàn)一些離群點(diǎn)、噪聲團(tuán)、無(wú)關(guān)點(diǎn)，這不僅影響了點(diǎn)云的質(zhì)量，而且增加了點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量。對(duì)于不同的噪聲點(diǎn)，采用單一去噪算法，往往很難達(dá)到理想效果，且對(duì)于一些噪聲團(tuán)，只能通過(guò)框選刪除手動(dòng)方式進(jìn)行去除，效率較低。因此本研究提出利用條件濾波［6］、統(tǒng)計(jì)濾波［7］和歐式距離聚類［8］算法相結(jié)合的方法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類去噪，其步驟如下。

首先利用條件濾波在點(diǎn)云數(shù)據(jù)X、Y、Z坐標(biāo)軸上設(shè)置閾值，建立空間包圍盒，大致分割出目標(biāo)構(gòu)件點(diǎn)云，去除大部分無(wú)關(guān)點(diǎn)；然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)濾波算法，基于鄰域范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)一些遠(yuǎn)離主體點(diǎn)云的離群點(diǎn)進(jìn)行去除，使目標(biāo)構(gòu)件點(diǎn)云與噪聲團(tuán)界限更加清晰，便于后續(xù)聚類；最后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行歐式距離聚類，對(duì)遠(yuǎn)離主體點(diǎn)云的點(diǎn)云噪聲團(tuán)基于歐式距離進(jìn)行聚類，最大聚類結(jié)果就是目標(biāo)構(gòu)件點(diǎn)云，通過(guò)只提取出最大聚類結(jié)果，達(dá)到去除噪聲團(tuán)的效果，簡(jiǎn)單高效地去除噪聲點(diǎn)和無(wú)關(guān)點(diǎn)。點(diǎn)云噪聲分布如圖5 所示。橋塔 A 節(jié)段經(jīng)過(guò)多種算法濾波后結(jié)果如圖6 所示。

圖5 噪聲分布圖

圖6 橋塔A節(jié)段點(diǎn)云去噪結(jié)果

3 構(gòu)件的幾何建模與優(yōu)化

經(jīng)點(diǎn)云預(yù)處理后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)離散、相互間沒(méi)有幾何聯(lián)系，不便于觀察與誤差分析。因此本文將預(yù)處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 Geomagic control 軟件中，通過(guò) Geomagic control 軟件對(duì)掃描點(diǎn)云進(jìn)行 Delaunay 三角網(wǎng)構(gòu)建，將各點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)三角網(wǎng)格連成一個(gè)整體，用以描述結(jié)構(gòu)形狀。橋塔 A 節(jié)段的三角網(wǎng)格模型如圖7 所示。由于掃描設(shè)備視角、環(huán)境條件的限制和結(jié)構(gòu)自身形狀復(fù)雜等因素影響，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格重建之后存在大量空洞區(qū)域，不利于結(jié)構(gòu)整體的誤差檢測(cè)，因此需要對(duì)這些空洞區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)優(yōu)化。本文利用網(wǎng)格醫(yī)生，對(duì)一些離散點(diǎn)形成的小孔和釘狀物進(jìn)行補(bǔ)充和去除，對(duì)一些數(shù)據(jù)不全形成的孔洞，利用軟件孔洞填充功能的曲率擬合、內(nèi)部孔、邊界孔、搭橋等功能進(jìn)行填充，從而得到構(gòu)件完整的表面模型。橋塔節(jié)段 A 的優(yōu)化后點(diǎn)云模型如圖8 所示。

圖7 橋塔 A 節(jié)段點(diǎn)云重建

圖8 橋塔 A 節(jié)段模型優(yōu)化

4 構(gòu)件誤差檢測(cè)與關(guān)鍵參數(shù)提取

4.1 構(gòu)件加工質(zhì)量檢測(cè)

通過(guò)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建的點(diǎn)云模型與從設(shè)計(jì)圖紙信息獲得的三維理論模型進(jìn)行整體對(duì)比，可以全面地反應(yīng)出預(yù)制構(gòu)件的制作誤差。以橋塔 A 節(jié)段為例，將上述步驟得到的三維重建點(diǎn)云模型設(shè)置為測(cè)試模型，利用圖紙信息建立的理論模型設(shè)置為參考模型，基于最佳擬合匹配功能將兩模型統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下進(jìn)行對(duì)齊，然后通過(guò) 3D 比較，即可得到構(gòu)件整體的制作偏差。橋塔 A 節(jié)段理論模型與點(diǎn)云模型 3D 偏差色譜圖如圖9 所示，點(diǎn)位偏差分布如表2 所示。

表2 橋塔 A 節(jié)段 3D 偏差分布

圖9 橋塔 A 節(jié)段 3D 偏差色譜圖

由圖9 可知，橋塔 A 節(jié)段點(diǎn)云模型與理論相比（最大偏差+/-）為：0.0121/-0.0231 m；（平均偏差+/-）為：0.0006/-0.0006 m。由表2 可知，橋塔 A 節(jié)段整體制作偏差基本在（-0.0048～0.0048）m 這個(gè)范圍，占比 98 % 左右，大部分區(qū)域點(diǎn)偏差均滿足規(guī)范要求，整體制作精度較高。

4.2 關(guān)鍵參數(shù)提取

經(jīng)過(guò)點(diǎn)云模型和理論模型全局匹配后，可大致知道預(yù)制構(gòu)件的誤差范圍，但為了保證預(yù)制拼裝構(gòu)件的拼接成功，還要對(duì)一些影響拼接質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行提取和評(píng)估。對(duì)于橋塔節(jié)段預(yù)制構(gòu)件，直接影響拼接質(zhì)量的尺寸參數(shù)有：拼接面角點(diǎn)偏差、拼接面夾角偏差。其中拼接面角點(diǎn)偏差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件拼裝定位困難；拼接面夾角偏差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致拼接面吻合性差，焊接困難。二個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的偏差示意圖如圖10 所示?；谧罴褦M合匹配，只能得到構(gòu)件整體的偏差范圍，且會(huì)降低關(guān)鍵參數(shù)的精度，為了保證關(guān)鍵參數(shù)的精度，提出基于特征面匹配的方法，提取關(guān)鍵參數(shù)。其基本思路是將預(yù)制構(gòu)件兩裝配面的其中一面定義為特征面，理論模型對(duì)應(yīng)面定義為參考模型，基于軸線方向進(jìn)行特征面最佳擬合匹配，對(duì)特征面匹配后的點(diǎn)云模型進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)提取。

圖10 關(guān)鍵參數(shù)偏差示意圖

4.2.1 拼接面角點(diǎn)

以橋塔 A 節(jié)段的上拼裝面為特征面，與理論模型進(jìn)行特征面匹配，然后截取下拼接面與理論模型進(jìn)行 2D 比較分析，從而得到拼接面各角點(diǎn)的偏差值。橋塔 A 節(jié)段下端口角點(diǎn)偏差圖如圖11 所示。

圖11 橋塔 A 節(jié)段下端口偏差圖

從圖11 可以看出，橋塔 A 節(jié)段角點(diǎn) Dx最大偏差值為 0.003 9 m，Dy最大偏差值為 0.000 5 m，Dz最大偏差值為-0.002 3 m，拼接面角點(diǎn)偏差均滿足規(guī)范要求。

4.2.2 拼接面夾角

對(duì)點(diǎn)云模型與理論模型特征面匹配后，分割出除特征面外的另一拼接面，對(duì)拼接面進(jìn)行 Ransc 算法［9］最佳平面擬合，獲取平面參數(shù)，通過(guò)計(jì)算點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)模型拼接面的法向量夾角對(duì)點(diǎn)云模型拼接面夾角偏差進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于橋塔 A 節(jié)段，點(diǎn)云模型拼接面平面擬合結(jié)果如圖12 所示。其中理論模型拼接面法向量為（0.128 1，-0.991 7，0.004 3），點(diǎn)云模型拼接面法向量為（0.128 0，-0.991 8，0.004 2），法向量夾角為 0.008 6°，法向量夾角過(guò)小，可忽略不計(jì)，拼接面制作精度滿足要求。

圖12 點(diǎn)云模型拼接面平面擬合結(jié)果

橋塔 A 節(jié)段拼接面角點(diǎn)和拼接面夾角偏差評(píng)估，均滿足制作精度要求，說(shuō)明預(yù)制構(gòu)件長(zhǎng)度和拼接面尺寸滿足要求，綜合考慮預(yù)制構(gòu)件的整體偏差 98 % 以上，均滿足規(guī)范要求，由此可以判斷預(yù)制構(gòu)件預(yù)制精度較高，可以滿足后續(xù)構(gòu)件拼接要求，無(wú)需校正和重制。

5 結(jié)論

本文研究了基于三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云模型檢測(cè)鋼構(gòu)件制作誤差的方法，主要結(jié)論如下。

1）在數(shù)據(jù)采集和處理方面，系統(tǒng)研究了點(diǎn)云數(shù)據(jù)從獲取到模型建立的各個(gè)步驟，并提出一種針對(duì)不同噪聲特點(diǎn)分類去噪的方法，簡(jiǎn)單高效地完成了去噪任務(wù)。

2）在制作誤差檢測(cè)方面，提出了基于點(diǎn)云模型和理論模型匹配進(jìn)行鋼構(gòu)件尺寸誤差檢測(cè)的方法。該方法能全面地掌握構(gòu)件預(yù)制的精度情況，節(jié)省了大量人工測(cè)量和后續(xù)人工預(yù)拼裝步驟帶來(lái)的時(shí)間損耗，且檢測(cè)精度更高。

3）以某預(yù)制橋塔 A 節(jié)段為例子，對(duì)文中所提誤差檢測(cè)方法進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制鋼構(gòu)件質(zhì)量高精度快速檢測(cè)。Q