黎細(xì)波，許正文

（1.浙江華東測(cè)繪有限公司，浙江 杭州310030；2.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200438）

1 摘要

采用先進(jìn)的Riegl LMS_420i激光三維掃描儀進(jìn)行鋼桁架節(jié)點(diǎn)測(cè)量，后處理采用GeoMagic軟件精確解算桁架的空間向量，以桁架軸線中垂線的中點(diǎn)坐標(biāo)作為實(shí)測(cè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)快速、高密度、高精度地獲取桁架節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)坐標(biāo)信息。

2 點(diǎn)云拼接與處理

2.1 控制測(cè)量

該工程選用Leica專用反射貼片作為Riegl掃描儀后方交會(huì)定向的測(cè)量標(biāo)志，并根據(jù)工地實(shí)際情況優(yōu)化布設(shè)了1個(gè)大地四邊形的控制網(wǎng)，各控制點(diǎn)坐標(biāo)均采用Leica TCA2003全站儀架設(shè)在控制點(diǎn)上直接測(cè)量，以保證各貼片的平面坐標(biāo)精度優(yōu)于±3 mm。

2.2 點(diǎn)云拼接

單站掃描的點(diǎn)云無法有效構(gòu)建目標(biāo)物的立體模型，將各個(gè)測(cè)站上不同角度掃描的點(diǎn)云圖精確地拼接在一起，并統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中即可精確還原出桁架節(jié)點(diǎn)的實(shí)際空間位置信息。

通過Riegl LMS_420i激光掃描儀自帶的Riscan軟件的反射體連接功能，可以將多站掃描的點(diǎn)云拼接并統(tǒng)一至工程坐標(biāo)系下，從而獲取全視角的桁架點(diǎn)云數(shù)據(jù)。多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接根據(jù)最小二乘原則，將該站的反射體與其它站的反射體進(jìn)行拼接，盡量保證管桁架外表面有≥220°的掃描數(shù)據(jù)。

2.3 截取并解算管桁架空間向量

激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)拼接并檢查合格后，在Riscan軟件中截取待測(cè)桁架節(jié)點(diǎn)周圍半徑50 cm以內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并保存為GeoMagic Studio軟件所支持的文件格式。

在GeoMagic Studio軟件中，分別截取桁架節(jié)點(diǎn)上下、左右方向上的4個(gè)圓柱體，擬合求解各圓柱體的基點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）及圓柱體的軸線向量(α,β,δ)，并校核擬合求解的圓柱體直徑是否與設(shè)計(jì)直徑一致。

以北桁架第3榀實(shí)際求解的6個(gè)節(jié)點(diǎn)為例，桁架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、擬合示意圖及求解成果分別見圖1、圖2及表1。

圖1 管桁架空間參數(shù)擬合求解示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fitting to solve the truss space parameters

圖2 北桁架第3榀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure design of the third north truss

3 管桁架節(jié)點(diǎn)的求解算法

桁架節(jié)點(diǎn)上、下圓柱的基點(diǎn)A、B兩點(diǎn)構(gòu)成直線L2,桁架節(jié)點(diǎn)左、右圓柱的基點(diǎn)C、D兩點(diǎn)構(gòu)成直線L1，見圖3。首先求解直線L1上點(diǎn)P,使P到L2的距離最短，相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：

（1）首先求解直線L1,L2的方程

對(duì)比圖13和圖14中的實(shí)線和虛線.對(duì)于頻率為fc=|2fj-ft|的互調(diào)發(fā)射類型，直接采用測(cè)量數(shù)據(jù)與采用式(22)進(jìn)行修正后數(shù)據(jù)所得到的互調(diào)發(fā)射抑制比相差甚微，這是因?yàn)椋?1)信號(hào)源對(duì)相應(yīng)類型的互調(diào)發(fā)射抑制特性較好；(2)fc與ft的偏差較小，大量的能量被發(fā)射機(jī)射頻濾波器吸收(實(shí)測(cè)反射損耗為-8.7dB).對(duì)于fc=2fj+ft的互調(diào)發(fā)射類型，兩種處理方法的互調(diào)發(fā)射抑制比相差約10dB，這是因?yàn)橛捎趂c遠(yuǎn)離ft，在發(fā)射機(jī)射頻濾波器端口基本形成全反射(實(shí)測(cè)反射損耗僅為-1.1dB)，因此直接采用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得出的互調(diào)抑制比存在非常大的誤差，采用式(22)進(jìn)行修正后的結(jié)果才是準(zhǔn)確可信的.

圖3 空間直線中垂線交點(diǎn)求解示意圖Fig.3 Solution of the crossing point of plumb lines of spatial lines

（2）求解L1,L2的公垂線方向向量

（3）求解直線L1和公垂線確定的平面，記為β

令：

平面β的方程記為：

（4）求平面與直線L2的公共解，即P點(diǎn)的坐標(biāo)

令：

求解得P點(diǎn)坐標(biāo)為：

4 掃描成果

（5）同理求解獲得直線L2上距離直線L1最近的Q點(diǎn)的坐標(biāo)，則PQ為直線L1,L2的公垂線，PQ線段的中點(diǎn)坐標(biāo)即為所求解獲得的桁架節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

激光三維掃描的數(shù)據(jù)成果經(jīng)處理后，可轉(zhuǎn)換為AutoCAD等常見軟件支持的矢量空間格式，有助于進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)桁架的模型計(jì)算、施工質(zhì)量評(píng)估等。主要掃描成果包括三維激光掃描全景圖、桁架節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)偏差等，分別見圖4和表2。

表2 北桁架第3榀管桁架節(jié)點(diǎn)解算坐標(biāo)成果表Table 2 :Calculation results of coordinate data of the node of third north truss

圖4 北桁架三維激光掃描全景圖Fig.4 Panorama of the north truss by three-dimensional laser scanner

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)管桁架節(jié)點(diǎn)屬于不規(guī)則的物體，無固定統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)，采用快速、高精度、高采樣率的激光三維掃描儀獲取桁架結(jié)構(gòu)的三維坐標(biāo)信息，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)向量解算求解桁架節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，便于統(tǒng)一測(cè)量成果和保證精度。

[1]王解先,季凱敏.工業(yè)測(cè)量擬合[M].北京：測(cè)繪出版社，2008.