高大跨拱圈三維可視化對接安裝測控技術研究與應用

吳恒友，羅天文，王陸軍，李 航

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

隨著科技技術的不斷發展，三維激光掃描技術和虛擬現實技術廣泛運用于農業、交通、電力、水利、建筑、考古等各行各業，并取得了重大突破，解決了一系列難題。VR技術也稱靈境技術或人工環境，其定義是集合仿真技術、計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術以及網絡技術等多種領域技術開發的計算機仿真系統，能夠創建并讓用戶感受到原本只有在真實世界才會擁有的體驗。簡單來說，VR技術能夠將用戶的感知帶入由它創建的虛擬世界，并讓用戶以為眼前的一切都是真實的。三維激光掃描技術是利用激光測距的原理，記錄目標物體表面大量的點（點云）的三維坐標和反射率信息。它能夠深入到復雜的環境當中，進行無接觸掃描，完整地采集三維數據，進而快速構建出目標物體的三維模型。基于三維激光掃描VR技術主要利用三維激光掃描獲取被掃描物體的點云并構建三維模型，在VR技術環境下實現虛擬現實分析，兩項技術結合來實現仿真數值分析指導高大跨拱圈變截面節段的對接安裝。

1 三維可視化對接安裝測控技術理論與方法

三維可視化對接安裝測控技術包含坐標系統的構建、數據獲取以及模型構建、虛擬現實（VR）、仿真分析、數值分析等技術、軸線控制、對接面的耦合分析、不合格構件的處理等理論與方法。

1.1 坐標系統的構建

建立一個獨立坐標系統以渡槽拱圈起點為坐標原點，起、訖點構成獨立坐標系的X軸，Z軸垂直于X軸向上（高程），Y軸水平垂直于X軸的空間坐標系。坐標系統的優點是便于軸向偏差分析（縱向偏差就是X坐標分量，橫向偏差為Y軸分量，高程偏差為Z軸分量）。簡化空間姿態定位和定姿。

1.2 數據獲取和模型構建

地面三維掃描獲取點云和拼接方法：每個預制節段架設7站，分別為兩個對接面各設3站，頂部1個站，共7站。為了保證數據拼接的精確度，在兩站之間布設了3個公共反射球。利用基于公共反射球進行空間變化實現拼接。通過點云去噪（刪除不必要點云）、點云數據合并等。由點云構建生成TIN模型，用模型與點云做誤差分析，確保精度在2mm內。

1.3 節段之間對接面數值分析

對即將安裝模型和已安裝模型節段在構建坐標系下定姿和定位，實現兩個模型的虛擬對接。采用兩種數值分析方法對模型對接吻合度分析，分別為整體分析與剖面分析。整體分析：節段模型對接后，用三維檢測軟件實現數值分析。首先通過三維檢測方法對3D模型與設計模型（理論）比較分析其吻合度。其次分析模型對接面的吻合度。實現整體性分析。3D比較分析過程為：按照施工吊裝順序，以前一個模型為基礎，用下一節段的點云模型進行點云數據配對，比較兩個對接面點云模型數據的差值，根據差值的大小用不同的顏色直觀顯示，達到宏觀分析效果。剖面分析：整體分析完畢后，進行剖面分析，完成更加精準定位微觀分析。用0.1m間距剖分對接面，形成剖分剖面圖。面對接變為斷面對接，斷面上反應兩個模型偏差情況，在斷面上標注每一個偏差點上的偏差大小，實現斷面線上的精確分析。剖面分析結果更加精準、細微，可以準確判斷模型剖面上每點偏差、凸凹。

圖1 龍場渡槽縱剖面圖

1.4 模型虛擬對接軸向誤差控制

利用計算機分析兩模型對接面吻合情況，首先在計算機中將需對接的兩個模型相對位置固定，調整姿態實現虛擬對接。模型軸向誤差控制：模型相對位置固定有多種方法，基于對接面特征點、線、面實現兩個模型空間位置相對固定，或者基于對接面的最佳擬合對齊方法實現兩個模型的相對位置固定來完成對接。首先選擇最佳擬合方式進行固定對接，接觸面處理程度最小，對接后校核軸線與理論軸線偏差，在允許偏差范圍內予以采用，超出允許范圍，采用控制每個節段的實際位置與理論位置來固定節段空間位置和姿態，這種方式可以控制節段安裝誤差累積，最終實現對接貫通。模型虛擬對接實現：對已安裝好的節段模型掃描時，通過掃描架設于控制點上反射球即可將掃描數據統一到獨立坐標系中實現兩個模型的虛擬對接。

1.5 對不合格模型處理方法

整體分析結果對對接面的處理情況有整體了解，再利用各個比較斷面結果圖處理每條斷面線上的對接面，對非斷面線上的處理位置和處理程度可根據3D分析結果了解到哪些是均勻變化的，對于均勻變化的采用插值處理，對非均勻變化區域可在3D分析結果圖中量測出突變點的具體偏差值后再確定其處理范圍。最后根據分析結果編制對接面分析報告，用于指導后期的施工改善處理，報告應包括模型對接吻合情況，是否滿足安裝要求，對于不滿足安裝要求的模型，提出處理范圍以及意見。處理意見中明確需要處理的突變點的物方坐標，如何處理（填、削），處理范圍和處理量。

2 工程應用實例

黔中水利樞紐龍場渡槽位于貴州省六枝特區龍場鄉，渡槽跨域X019縣道和龍場小河，河谷為不對稱的V形走向峽谷，谷底寬為15m，谷頂寬為340m。進口岸1210m高程以上坡度為30°，1210m以下為陡崖，陡崖下游為六枝至龍場鄉的縣級公路；出口岸地形較平直，地形坡度為40°。黔中水利工程龍場渡槽位于總干渠K23+207～23+547，總長為340m，拱圈軸為懸鏈線，凈失高為40m，主拱凈跨200m，矢跨比為1／5，拱圈離地面最大高度為130m，目前為世界單跨最大混凝土拱式渡槽。龍場渡槽縱剖面圖如圖1所示。

龍場渡槽主拱圈采用整體分段預制和懸臂安裝方案，設2個拱腳段、26個拱箱段和一個合攏段共29個節段。拱腳水平投影15m范圍為0#現澆節段，縱向分為進1～13#和出1～13#預制節段，最后留有85cm的合攏現澆段。

拱圈的預制節段為單箱雙室鋼筋混泥土變截面拱箱，拱寬由12m漸變至5.5m，拱箱高3.5m，拱圈預制節段最重節段重量241.3t，最輕節段重量194.2t。

2.1 三維激光掃描技術獲取點云數據及三維模型建立

采用高精度掃描儀進行野外數據掃描，獲取已安裝節段模型和即將安裝節段模型的三維坐標點云數據。數據獲取時，點云掃描數據采集必須保證完整，精度滿足要求，在兩個節段對接面上加大點云密度。采集完成后預覽三維點云。

建立工程文件，對即將安裝模型與已安裝節段模型分別建立工程文件，分開處理，處理步驟為：去除不必要區域點云、點云去噪、數據拼接、點云數據合并等。對于本項目來說，精度要求高，通過點云建模自動生成TIN模型，同時將生成的模型與原始點云數據進行誤差對比分析，保證重要區域精度均在2mm以內，模型誤差達到最小化。節段三維真景模型與照片對比，模型與點云的對比如圖2所示。

表1 部分整體分析表 單位：mm

表2 部分斷面分析表 單位：mm

圖2 節段三維真景模型與照片或點云的對比

2.2 構件模型安裝對接分析

三維可視化模型建立完成后，要實現將模型對接安裝模擬分析，在虛擬安裝環境下通過空間位置和姿態固定來進行分析，為了使剛建立的模型能夠與安裝好的構件最佳對接，需要恢復即將安裝模型與已安裝模型的空間姿態和位置。通過事先做好輔助安裝標志，在虛擬安裝模型中提取出輔助安裝標志的坐標，將輔助安裝標志坐標恢復到工程實際坐標，即在實地中恢復了虛擬安裝模型的空間位置和姿態，即同時實現了節段的安裝對接與軸線的控制。把模型的空間位置和姿態固定了，就可進行對接分析。以進9和進10節段為例進行分析。

2.2.1 進9與進10節段模型對接面3D分析

對進-9節段和進-10節段進行3D分析，經過外業三維掃描和內業三維建模得到兩個節段的三維模型，通過對接面分析，其分析方法有整體分析法、斷面分析法等。兩種分析圖如圖3所示，分析結果見表1、2。

圖3 整體分析和斷面分析（單位：mm）

2.2.2 進9與進10節段模型安裝后誤差分析

安裝后，通過實地掃描安裝好的拱圈，提取已安裝拱圈的軸線，分析其與理論軸線的偏差情況。安裝拱圈縱橫軸線與設計拱圈縱橫軸線偏差情況如圖4所示。

圖4 實際安裝拱圈與設計拱圈縱、橫軸線偏差情況

2.2.3 最終成拱后底板線形分析

最終成拱后，安裝上渡槽，經過一段時間的變形穩定后，對拱圈進行掃描，獲取拱圈底板軸線數據，與理論值比較，最大相差在施工坐標X＝153.2.處，差值為24mm。最終拱圈線形與設計理論偏差情況如圖5所示。

圖5 最終拱圈線形與設計理論偏差情況

3 關鍵環節控制技術與實際安裝情況統計分析

3.1 多期掃描數據坐標統一的控制方法

為了完成該項目，需建立統一的坐標系統，分期掃描的數據才能夠實現坐標統一。在渡槽兩岸分別布設3個強制對中觀測墩，通過徠卡TM05進行野外數據觀測，采用一點一方位進行數據處理，建立高精度的施工控制網。為解決國家坐標系的投影變形，即尺度問題，采用獨立施工坐標系。每期數據掃描時，通過架設掃描儀在觀測墩上進行掃描，架設3個反射片于對岸觀測墩上，通過后視一個反射片方式進行定向，校核另兩個反射片坐標，保證其坐標定位定向的正確性。

3.2 三維模型與真實構建誤差分配控制

為使兩個模型安裝在一起對接面誤差在5mm內，其誤差是由掃描誤差、建模誤差、處理閾值引起的誤差三個構成。采用2mm精度掃描儀進行野外數據獲取，即掃描誤差2mm。同時在建模時，可保證所建模型與原始點云數據誤差精度在2mm以內，這在三維建模軟件中是可以實現的，因為許多逆向軟件都有評估所建模型與原始點云模型偏差的功能，同時可以通過偏差參數控制模型重建。這樣我們假定處理閾值為Amm，根據誤差傳播理論最樣A≤3mm，可以確定對接面分析時誤差在3mm內的不需處理，＞3mm的才進行處理，最終保住對接面安裝在一起時的誤差在允許5mm精度范圍內。

3.3 軸線誤差的控制

野外獲取數據前，在節段頂、兩側布設一些反射片，如圖6所示。在頂、底面中間 （軸線上）各布設三個反射片；兩側面上下中間也各布置3個反射片。

通過掃描儀掃描獲取點云構建高精度三維立體仿真模型，通過紋理可獲取各標志的位置坐標。首先通過固定已安裝模型在絕對坐標系下，調整即將安裝節段模型的空間位置和姿態至對接面最佳吻合為止，固定即將安裝節段模型的空間位置和姿態，讀取節段模型的反射片標志坐標與理論值進行比較，誤差在允許范圍內就采用該對接姿態，超限強制將反射片調整到理論值下，實現節段模型固定，這樣既能保證對接面處理程度最小，又能保證節段軸線誤差不至于積累過大，最終使拱圈節段橫向、縱向軸線貫通誤差在精度允許范圍內。

圖6 節段上反射片布設位置示意圖

3.4 每節段實際安裝情況

通過高精度全站儀測量各節段安裝后前端反射片標志的坐標，橫向誤差最大值為出6#號節段8mm，縱向誤差最大值為進8#節段32mm，軸線誤差最大值為進1#節段-2mm，滿足軸線限差要求。

3.5 貫通軸線偏差情況

拱圈對接貫通橫向誤差為1.8cm，縱向誤差為1.2cm，滿足設計方案貫通橫向誤差5cm，縱向誤差3cm的要求，且小于要求的1／2。

4 結語

本文總結基于地面激光三維掃描技術開發高大跨渡槽三維可視化模擬安裝測控技術和安裝方法，突破了復雜施工條件下大跨度拱圈變截面預制節段高精度安裝技術，并成功運用于世界單跨最大的黔中水利樞紐龍場渡槽拱圈施工，保障施工安全，提高施工效率。該測控方法對于預制節段拼裝工程具有一定參考意義。

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