基于3D攝影測量盾尾質量檢測技術

李鳳遠，韓偉鋒，陳 橋

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450001;2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

0 引言

隨著城市地鐵隧道、水工隧道、越江隧道、地下管線隧道的增多，盾構法作為隧道建設中最為重要的一種工法，已被廣泛應用。由于在盾構施工過程中內部壓力比較大，為防止盾尾漏漿，盾尾的密封要求比較嚴格。盾尾密封最為重要的一個要求就是盾尾的圓度，如果偏差太大就容易漏漿［1-4］。目前國內配套設備和關鍵件的設計、生產技術水平低，故生產出的盾尾，特別是舊盾尾再次使用前需要對其圓度進行嚴格的檢測。

傳統的盾尾檢測方法是先人工拉線找中心，然后使用卷尺或全站儀檢測。新制造的盾尾可以使用走刀檢測、大型龍門三坐標測量儀、柔性關節臂測量儀及激光跟蹤儀等。但各設備在大型工件測量領域有明顯的不足，而且大型龍門三坐標測量儀、柔性關節臂測量儀和激光跟蹤儀等設備都需進口，價格昂貴，成本很高，測量需要花費一天或幾天的時間，從技術和實用角度考慮，不便實現大型工件的測量。

3D攝影測量是利用光學成像原理，采用非接觸式測量，采集到物體表面點的空間位置形成點云［5-7］，然后利用Qualify軟件將點云與設計數模進行比對［8-9］。通過點云和標準數模進行比對，利用計算機計算出各點偏差值。3D攝影測量技術測量環境和測量范圍不受限制、操作簡單方便、測量精度高，無需搬運工件，也不需要對設備進行繁瑣的位置調整和精度校正等操作，對于測量大型葉片、大型模具、大模型等約1 h就能完成，可以說是一個便攜式快速光學“三坐標測量儀”。3D攝影測量技術在鋼鐵、汽車、模具、風電等行業已經得到廣泛應用。

1 測量設備

3D攝影測量系統又稱照相測量定位系統或近景攝影測量系統，是利用照相機技術來獲取某些特征標志點的三坐標位置進行的三維測量方法。利用Digimetric計算出貼在物體表面參考點的三維坐標值，形成一個固定的坐標系統，再根據坐標變換使測量的三維坐標點對齊到大型工件的CAD數模上，進行對比后得到對比結果。3D攝影測量設備見圖1。

圖1 3D攝影測量設備Fig.1 3D photogrammetry devices

2 測量原理

攝影測量是利用光學成像原理采集物體表面點空間位置坐標，但圖像本身沒有空間具體位置的概念，且不同的點在不同的照片上空間的位置坐標是不一樣的，需要有編碼點作為不同照片之間的連接橋梁。每個編碼點都有唯一的編號且已經在相機中標定，而任何一個標志點相對于編碼點的空間位置都是唯一的，故通過編碼點可以把不同照片采集到的同一個標志點識別為同一點，并且為每一個標志點自動生成唯一代號。直接生成的空間點云不帶實際尺寸概念，在檢測前需要放置一般比例尺，比例尺上貼有編碼點，編碼點之間的距離為標準距離，并且已經在相機中標定。在計算過程中，系統會參照該比例尺對所有的編碼點進行距離計算。利用標志點取點，編碼點作為不同照片關聯的橋梁，帶編碼點的標尺作為比例尺，系統生成的點云即是帶尺寸位置的空間點云。通過把點云與標準數模進行比對可分析出盾尾各處的具體偏差值。各種定位工具如圖2所示。

3 貼編碼點與標志點

粘貼編碼點和標志點的數量適中即可，如果編碼點和標點數量太多會增加計算機運算時間，如果點數太少容易影響測量精度。通過實際測量經驗，6 m左右的大型構件標志點的間距保持在約6 cm即可，編碼點的數量能保證2張照片有8個以上的重合點即可。

圖2 定位工具Fig.2 Positioning tools

盾尾檢測不但需要檢測出最大偏差值，而且還需要確定具體是哪個位置為最大偏差點。由于盾尾是一個圓形構件，基本沒有比較好辨認的幾何特征，需要利用標志點在盾尾一周間隔一定角度貼出不同數字，以方便確定具體位置的偏差值。進行偏差比對時需將標準數模和點云對齊，由于盾尾為圓型構件，對齊特征需要端面和軸心，端面需要找出一個相對垂直于柱面的平面貼點，利用該平面上的點擬合出基準平面特征，利用圓柱面的點擬合出軸心。盾尾帶數字形狀編碼點和標志點如圖3所示。

圖3 編碼點與標志點粘貼示意圖Fig.3 Coded points and marking points

4 采集點云與創建標準數模

完成了標志點、編碼點和標尺的定位后須進行圖像拍攝。為保證能夠有效地采集到標志點，每2張照片重合的編碼點應當大于8個，在拍攝過程中，保持相機距離標志點約2 m，并且在采集過程中所有的點與標尺不能夠移動。如果有點或者標尺移動須重新采集，否則會出現相對位置錯亂，從而造成檢測失敗。標志點采集位置如圖4所示。

圖4 標志點采集位置示意圖(單位:mm)Fig.4 Positions of marking points(mm)

攝影測量系統是利用光學成像原理采集標志點的圓心。由于設備上會有各種污漬，系統會把部分白色的污漬錯誤地識別為標志點，對系統分析形成干擾，在進行偏差比對前須清除所有采集到的干擾點，否則系統會把干擾點與標準數模進行比較，造成檢測錯誤。處理后的標志點云如圖5所示。

圖5 標志點云Fig.5 Cloud of marking points

標準數模并不是傳統意義上的三維模型，質量比對的數模只需建立檢測面模型即可，并且應盡量簡化數模，否則會增加計算量。檢測盾尾圓度關鍵是檢測盾尾刷固定環的圓度，數?？梢灾话芪菜⒐潭ōh內圓柱面。

5 應用實例

某項目盾尾為二次使用，直徑6 280 mm，按照檢測要求使用攝影測量方法檢測盾尾刷固定環圓度。在被測盾尾上標志出對齊基準點，在需要測量處貼好標志點，并布置編碼點和標尺，使用標定后的數字相機，從不同角度進行拍攝，將拍攝所得圖像導入到計算機;使用Digimetric測量系統軟件對圖像自動進行處理，去除明顯干擾點，形成有效三維坐標點云，使用專業質量比對軟件將點云擬合出中心軸與端面，導入標準數模，同理擬合出中心軸和端面;將點云中心軸和端面與標準數模中心軸和端面對齊，則建立了質量比對系統的相對坐標系。盾尾標準數模和點云如圖6所示。

圖6 盾尾標準數模和點云Fig.6 Standard numerical model and point cloud of shield tail

采用專業質量比對軟件對測量點云和標準數模進行坐標比對，得出該項目盾尾檢測部位位置尺寸質量偏差。圖7為各標志點偏差云圖。從圖7中可以看出，該盾尾最大變形處位于 4號位置，偏差值為42.467 mm。圖8為各階段偏差所占的點比例。從圖8中可以看出，該盾尾有44.508%的點的偏差值為-5.530～5.530 mm，共有3.852%的點偏差大于36.31 mm。

圖7 各標志點偏差云圖(單位:mm)Fig.7 Deviation cloud of marking points(mm)

圖8 各段偏差值所占標志點比例Fig.8 Percentage of deviation points in total marking points

6 結論與討論

1)使用攝影測量對盾尾圓度檢測，可以準確地判定出盾尾各處最大偏差值，進而對盾尾偏差較大的位置進行修復或者為安全起見重新制造盾尾，保證盾構施工安全。

2)采用3D攝影方法可為超過6 m直徑的盾尾進行測量，為盾構工廠制造質量檢測、用戶驗收質量比對、現場組裝測量等提供了一種新方法。

3)檢測系統本身檢測精度能達到0.10 mm/4 000 mm，但由于檢測方法、檢測人員水平和檢測方案的限制，最終檢測精度還不是很高(約1 mm)，對于檢測方案還有待于進一步研究。

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