三維激光掃描在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段制作誤差分析中的應(yīng)用

姜 波

(保定市公路管理局，河北 保定 071051)

0 引 言

在施工過程中影響鋼結(jié)構(gòu)變形、受力的因素很多，因此，需要考慮鋼結(jié)構(gòu)橋梁梁段在預(yù)拼裝前能引起變形的多種因素。通過進(jìn)行梁段三維激光掃描、建模，找出與施工設(shè)計(jì)的理論值偏差，針對(duì)偏差值采取一定的措施及時(shí)控制，這無論對(duì)工程質(zhì)量還是施工安全以及工程管理都具有十分重要的意義。

近年來，三維激光掃描技術(shù)的實(shí)用性已在橋梁變形檢測(cè)、隧道變形檢測(cè)、房屋建筑及邊坡檢測(cè)等土木工程方面得到了較好的驗(yàn)證，但在點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等方面還有待進(jìn)行一步研究。

盧穎為實(shí)現(xiàn)無資料舊橋梁撓度檢測(cè)，利用三維激光掃描儀分別對(duì)簡(jiǎn)支梁和長(zhǎng)春一缺失部分設(shè)計(jì)資料的舊橋進(jìn)行掃描，獲得了橋梁的外部結(jié)構(gòu)輪廓及尺寸，并進(jìn)行了撓度變形分析，驗(yàn)證了三維激光掃描儀的實(shí)用性，但是在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方面，全部依靠逆向工程軟件實(shí)現(xiàn)，沒有針對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行說明[1]。馬俊偉在滑坡物理模型試驗(yàn)坡體表面整體變形監(jiān)測(cè)中引入三維激光掃描技術(shù)，利用該技術(shù)點(diǎn)測(cè)量和面測(cè)量的優(yōu)勢(shì)采用點(diǎn)云比較和疊加法測(cè)量了模型的整體變形和位移，利用逆向建模軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)于具體預(yù)處理方法沒有研究[2]。

本文以某大橋的鋼結(jié)構(gòu)橋塔B2節(jié)段為例，通過三維激光掃描技術(shù)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、去噪與采樣、模型的誤差分析等方面進(jìn)行論述。

1 工程概況

研究集中于該橋的主塔節(jié)段，其上塔柱采用矩形截面，上塔柱高38 m(相對(duì)于主梁中心橋面)，采用門形、塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)，除塔梁連接段特殊設(shè)計(jì)外，上塔柱塔壁均采用20 mm厚鋼板。上塔柱沿豎向分為13個(gè)節(jié)段。上塔柱沿豎向2.5 m左右間距設(shè)置1道16 mm厚橫隔鋼板，在塔壁上設(shè)置縱向加勁板肋，縱向加勁板肋在橫隔板處穿過“V”型過焊孔不與隔板連接。利用對(duì)接熔透焊接連接塔柱各節(jié)段，采用高強(qiáng)度螺栓栓接縱向加勁肋。

2 建模流程

三維激光掃描過程較復(fù)雜，其流程如圖1所示，此過程對(duì)橋梁逆向建模并進(jìn)行對(duì)比分析至關(guān)重要。掃描的各個(gè)流程處理的越好，后期建立的模型就越精準(zhǔn)，與理論尺寸模型對(duì)比分析的誤差就越小。其關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪和采樣等。

圖1 掃描流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

在掃描結(jié)構(gòu)之前，選擇合適的測(cè)站間距、入射角以及掃描分辨率[3-4]，并制定合理的掃描策略。掃描時(shí)將平面標(biāo)靶放置在可觀測(cè)位置上，獲得各個(gè)構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，采用標(biāo)靶拼接的方法處理，經(jīng)拼接整理后B2節(jié)段的可視化圖如圖2所示。

圖2 B2節(jié)段可視化圖

在獲取掃描信息時(shí)，因鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的體積大、移動(dòng)旋轉(zhuǎn)不便，環(huán)境中存在一定的遮擋等因素導(dǎo)致獲取鋼構(gòu)件內(nèi)外表面的所有掃描信息十分困難。在開展構(gòu)件的掃描工作時(shí)，構(gòu)件的內(nèi)部信息，如橫隔板、加勁肋等構(gòu)造相對(duì)影響很小，因此可忽略不計(jì)，只需獲得裝配面在內(nèi)的外輪廓精確信息即可。掃描構(gòu)件時(shí)受掃描環(huán)境及構(gòu)件本身特點(diǎn)的影響，導(dǎo)致構(gòu)件上下表面數(shù)據(jù)有所缺失，可通過后期的特征曲面擬合進(jìn)行填充。

2.2 點(diǎn)云去噪與采樣

施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度分布不均勻，且存在很多噪點(diǎn)，利用PCL依據(jù)臨近點(diǎn)數(shù)目和平均距離編制濾波算法可以對(duì)所獲取的各節(jié)段點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的去噪[5]。其各節(jié)段點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪代碼流程如圖3所示。以B2節(jié)段橋塔為例，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)有8 177 141個(gè)，濾波后為7 792 485個(gè)；過濾后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)有明顯差異，濾除點(diǎn)云數(shù)量占原始點(diǎn)云數(shù)量的4.7 %，離群點(diǎn)去除明顯。說明在保證構(gòu)件基本特征的情況下，利用本文所述方法可以更有效地對(duì)原始點(diǎn)云去噪。對(duì)于參數(shù)的設(shè)置，通過利用PCL依據(jù)臨近點(diǎn)數(shù)目和平均距離編制濾波算法去噪與軟件去噪對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置的越小，濾除的點(diǎn)云數(shù)據(jù)越少，若鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置過大，點(diǎn)云數(shù)量會(huì)大大減少，但可能丟失局部信息。因此應(yīng)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取質(zhì)量具體分析，設(shè)置合理閾值。

圖3 去噪代碼流程

利用體素化網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)采樣，使用濾波器進(jìn)行濾波；以B2節(jié)段橋塔為例，設(shè)置體素邊長(zhǎng)為0.5 cm的立方體，原始點(diǎn)云2 363 710個(gè)，采樣后點(diǎn)云1 211 164個(gè)，采樣后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)的51.2 %，大大減少了點(diǎn)云的數(shù)量；而利用點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行統(tǒng)一采樣的點(diǎn)云數(shù)目為1 511 131，比本文所用方法多了299 967個(gè)，占原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的63.9%；在保證構(gòu)件的特征信息無損失時(shí)，運(yùn)算速度相差不明顯，并且2種方法相比數(shù)據(jù)相差12.7 %。從中可以發(fā)現(xiàn)利用此方法處理的剩余點(diǎn)云數(shù)據(jù)少于軟件采樣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該方法與體素中心逼近法相比雖速度較慢但曲面重建更精確。其各節(jié)段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采樣編譯代碼主要流程如圖4所示，經(jīng)去噪和采樣處理之后的B2節(jié)段模型如圖5所示。分析發(fā)現(xiàn)設(shè)置體素越大剩余采樣點(diǎn)越少，但體素設(shè)置過大可能導(dǎo)致部分特征信息丟失，因此要根據(jù)具體點(diǎn)云特征需求來合理設(shè)置體素大小。

圖4 采樣邏輯圖

圖5 去噪采樣成圖

圖6 修補(bǔ)成圖

2.3 節(jié)段模型的建立

受環(huán)境遮擋、測(cè)量設(shè)備的限制、地理位置的局限及橋梁自身形狀特點(diǎn)等影響，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)局部數(shù)據(jù)缺失，即存在大量的空洞，需針對(duì)這些空洞進(jìn)行修補(bǔ)，如圖6所示。修補(bǔ)空洞主要包括兩方面，一是提取空洞邊界，需形成閉合曲線，且受到周圍網(wǎng)格法線方向的影響；二是進(jìn)行特征擬合，需要提取周圍網(wǎng)格的曲率、法線方向等信息，以此來獲取缺失部分的最佳擬合平(曲)面。應(yīng)用在橋塔鋼構(gòu)件上時(shí)，主要為了獲取橋塔外輪廓尺寸信息，因此構(gòu)件的內(nèi)部信息，如橫隔板、加勁肋等這些非關(guān)鍵信息可忽略。

橋塔節(jié)段的虛擬拼裝需要提取模型中的點(diǎn)、線和面等特征信息，而網(wǎng)格模型是基于采樣點(diǎn)間互相連接的拓?fù)潢P(guān)系而形成的三角網(wǎng)格模型，是一種不具有尺寸大小與約束關(guān)系的曲面。為滿足在使用數(shù)字模型進(jìn)行裝配過程時(shí)對(duì)特征識(shí)別的需求，需將點(diǎn)云模型進(jìn)行參數(shù)化；在參數(shù)化過程中，可以將網(wǎng)格模型進(jìn)行區(qū)域劃分并與根據(jù)施工圖紙建立三維的理論模型作對(duì)比。

3 節(jié)段模型的誤差分析

鋼構(gòu)件的常規(guī)檢測(cè)手段為人工鋼尺檢測(cè)，對(duì)鋼構(gòu)件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測(cè)量，將獲得的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)圖紙尺寸進(jìn)行對(duì)比并獲得差值，查驗(yàn)該誤差是否在允許范圍內(nèi)，若超出范圍則需采取相應(yīng)措施。使用常規(guī)檢測(cè)手段時(shí)人工工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、精度不高，甚至實(shí)際拼裝時(shí)因誤差太大不能拼裝完整。

為顯示模型是否存在誤差以及誤差大小，需要進(jìn)行基于3D和2D比較來分析橋塔鋼構(gòu)件制作誤差。首先將理論尺寸模型和通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的制作模型進(jìn)行對(duì)齊，即曲面匹配。它是將理論模型和待測(cè)模型移動(dòng)到同一個(gè)坐標(biāo)系下并匹配在合適的位置上；其次將統(tǒng)一到1個(gè)坐標(biāo)系下對(duì)齊的2個(gè)模型，選取點(diǎn)云模型上任意一點(diǎn)，自動(dòng)連接點(diǎn)到平面的垂線段，通過計(jì)算相對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)差值，輸出該點(diǎn)位上X、Y、Z三個(gè)方向的誤差以及歐式距離誤差，形成直觀全面的誤差分析結(jié)果。完成2個(gè)模型的特征對(duì)齊后便可實(shí)現(xiàn)對(duì)比和分析，若構(gòu)件制作精準(zhǔn)兩模型應(yīng)完全重合。

以B2節(jié)段為例，如圖7、8所示，可以看出利用3D比較能夠得到點(diǎn)云模型任意1點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的理論模型的誤差以及色譜圖，B2下接口處3D比較最大總偏差為0.021 9 m,主要發(fā)生在X軸方向，最小總偏差為0.086 m，主要發(fā)生在Y軸方向。2D比較中顯示最大總偏差為0.0217 m，主要發(fā)生在X軸方向，最小偏差為0.008 7 m主要方向發(fā)生在Y軸；整體來看，可發(fā)現(xiàn)B2段下接口3D比較和2D比較偏差變化正負(fù)方向一致，驗(yàn)證了2種比較方法的準(zhǔn)確性。按實(shí)際工程需要，B2段下接口處與C2段上接口處相接，因此可根據(jù)兩接口處的坐標(biāo)差值，分析判斷構(gòu)件是否可用于使用。若要檢測(cè)構(gòu)件整體偏差可選用3D比較進(jìn)行分析，若檢測(cè)構(gòu)件局部偏差適合選用2D比較進(jìn)行分析。根據(jù)誤差大小采取相應(yīng)措施，分析判斷構(gòu)件是否可用于使用，節(jié)省了實(shí)際施工中的人工預(yù)拼裝步驟。

圖7 B2下接口3D誤差

圖8 B2下接口2D誤差

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段制作誤差分析為目的，利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段掃描，系統(tǒng)研究了點(diǎn)云模型的數(shù)據(jù)處理及模型的建立。通過3D點(diǎn)云模型與施工理論模型對(duì)比分析，得到了各構(gòu)件的制作誤差；直觀地反映了橋塔構(gòu)件的質(zhì)量，根據(jù)誤差大小采取相應(yīng)的措施，分析判斷構(gòu)件是否可用于使用，節(jié)省了人工預(yù)拼裝步驟。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理等流程基本實(shí)現(xiàn)誤差技術(shù)，但在裝配過程中各節(jié)段會(huì)產(chǎn)生拼裝誤差累積，因此如何保證拼裝誤差只存在當(dāng)前拼接節(jié)段還有待研究。

針對(duì)上述不足之處，接下來可以在本文的研究方法基礎(chǔ)上，逐步提高利用三維激光掃描對(duì)鋼結(jié)構(gòu)誤差分析技術(shù)各個(gè)流程中的精度和速度，并繼續(xù)研究誤差累計(jì)問題。可以參考工程實(shí)例，將鋼結(jié)構(gòu)誤差分析技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際中，逐步地精細(xì)化。這無論對(duì)工程質(zhì)量還是施工安全以及后期檢測(cè)都具有十分重要的意義。