吳恒友，羅天文，王陸軍，李 航

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002）

隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)、交通、電力、水利、建筑、考古等各行各業(yè)，并取得了重大突破，解決了一系列難題。VR技術(shù)也稱(chēng)靈境技術(shù)或人工環(huán)境，其定義是集合仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，能夠創(chuàng)建并讓用戶(hù)感受到原本只有在真實(shí)世界才會(huì)擁有的體驗(yàn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，VR技術(shù)能夠?qū)⒂脩?hù)的感知帶入由它創(chuàng)建的虛擬世界，并讓用戶(hù)以為眼前的一切都是真實(shí)的。三維激光掃描技術(shù)是利用激光測(cè)距的原理，記錄目標(biāo)物體表面大量的點(diǎn)（點(diǎn)云）的三維坐標(biāo)和反射率信息。它能夠深入到復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，進(jìn)行無(wú)接觸掃描，完整地采集三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而快速構(gòu)建出目標(biāo)物體的三維模型。基于三維激光掃描VR技術(shù)主要利用三維激光掃描獲取被掃描物體的點(diǎn)云并構(gòu)建三維模型，在VR技術(shù)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)分析，兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)值分析指導(dǎo)高大跨拱圈變截面節(jié)段的對(duì)接安裝。

1 三維可視化對(duì)接安裝測(cè)控技術(shù)理論與方法

三維可視化對(duì)接安裝測(cè)控技術(shù)包含坐標(biāo)系統(tǒng)的構(gòu)建、數(shù)據(jù)獲取以及模型構(gòu)建、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、仿真分析、數(shù)值分析等技術(shù)、軸線(xiàn)控制、對(duì)接面的耦合分析、不合格構(gòu)件的處理等理論與方法。

1.1 坐標(biāo)系統(tǒng)的構(gòu)建

建立一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)以渡槽拱圈起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，起、訖點(diǎn)構(gòu)成獨(dú)立坐標(biāo)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(biāo)系。坐標(biāo)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是便于軸向偏差分析（縱向偏差就是X坐標(biāo)分量，橫向偏差為Y軸分量，高程偏差為Z軸分量）。簡(jiǎn)化空間姿態(tài)定位和定姿。

1.2 數(shù)據(jù)獲取和模型構(gòu)建

地面三維掃描獲取點(diǎn)云和拼接方法：每個(gè)預(yù)制節(jié)段架設(shè)7站，分別為兩個(gè)對(duì)接面各設(shè)3站，頂部1個(gè)站，共7站。為了保證數(shù)據(jù)拼接的精確度，在兩站之間布設(shè)了3個(gè)公共反射球。利用基于公共反射球進(jìn)行空間變化實(shí)現(xiàn)拼接。通過(guò)點(diǎn)云去噪（刪除不必要點(diǎn)云）、點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并等。由點(diǎn)云構(gòu)建生成TIN模型，用模型與點(diǎn)云做誤差分析，確保精度在2mm內(nèi)。

1.3 節(jié)段之間對(duì)接面數(shù)值分析

對(duì)即將安裝模型和已安裝模型節(jié)段在構(gòu)建坐標(biāo)系下定姿和定位，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模型的虛擬對(duì)接。采用兩種數(shù)值分析方法對(duì)模型對(duì)接吻合度分析，分別為整體分析與剖面分析。整體分析：節(jié)段模型對(duì)接后，用三維檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析。首先通過(guò)三維檢測(cè)方法對(duì)3D模型與設(shè)計(jì)模型（理論）比較分析其吻合度。其次分析模型對(duì)接面的吻合度。實(shí)現(xiàn)整體性分析。3D比較分析過(guò)程為：按照施工吊裝順序，以前一個(gè)模型為基礎(chǔ)，用下一節(jié)段的點(diǎn)云模型進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配對(duì)，比較兩個(gè)對(duì)接面點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)的差值，根據(jù)差值的大小用不同的顏色直觀(guān)顯示，達(dá)到宏觀(guān)分析效果。剖面分析：整體分析完畢后，進(jìn)行剖面分析，完成更加精準(zhǔn)定位微觀(guān)分析。用0.1m間距剖分對(duì)接面，形成剖分剖面圖。面對(duì)接變?yōu)閿嗝鎸?duì)接，斷面上反應(yīng)兩個(gè)模型偏差情況，在斷面上標(biāo)注每一個(gè)偏差點(diǎn)上的偏差大小，實(shí)現(xiàn)斷面線(xiàn)上的精確分析。剖面分析結(jié)果更加精準(zhǔn)、細(xì)微，可以準(zhǔn)確判斷模型剖面上每點(diǎn)偏差、凸凹。

圖1 龍場(chǎng)渡槽縱剖面圖

1.4 模型虛擬對(duì)接軸向誤差控制

利用計(jì)算機(jī)分析兩模型對(duì)接面吻合情況，首先在計(jì)算機(jī)中將需對(duì)接的兩個(gè)模型相對(duì)位置固定，調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)接。模型軸向誤差控制：模型相對(duì)位置固定有多種方法，基于對(duì)接面特征點(diǎn)、線(xiàn)、面實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模型空間位置相對(duì)固定，或者基于對(duì)接面的最佳擬合對(duì)齊方法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模型的相對(duì)位置固定來(lái)完成對(duì)接。首先選擇最佳擬合方式進(jìn)行固定對(duì)接，接觸面處理程度最小，對(duì)接后校核軸線(xiàn)與理論軸線(xiàn)偏差，在允許偏差范圍內(nèi)予以采用，超出允許范圍，采用控制每個(gè)節(jié)段的實(shí)際位置與理論位置來(lái)固定節(jié)段空間位置和姿態(tài)，這種方式可以控制節(jié)段安裝誤差累積，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)接貫通。模型虛擬對(duì)接實(shí)現(xiàn)：對(duì)已安裝好的節(jié)段模型掃描時(shí)，通過(guò)掃描架設(shè)于控制點(diǎn)上反射球即可將掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到獨(dú)立坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模型的虛擬對(duì)接。

1.5 對(duì)不合格模型處理方法

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

2 工程應(yīng)用實(shí)例

黔中水利樞紐龍場(chǎng)渡槽位于貴州省六枝特區(qū)龍場(chǎng)鄉(xiāng)，渡槽跨域X019縣道和龍場(chǎng)小河，河谷為不對(duì)稱(chēng)的V形走向峽谷，谷底寬為15m，谷頂寬為340m。進(jìn)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(chǎng)鄉(xiāng)的縣級(jí)公路；出口岸地形較平直，地形坡度為40°。黔中水利工程龍場(chǎng)渡槽位于總干渠K23+207～23+547，總長(zhǎng)為340m，拱圈軸為懸鏈線(xiàn)，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(chǎng)渡槽縱剖面圖如圖1所示。

龍場(chǎng)渡槽主拱圈采用整體分段預(yù)制和懸臂安裝方案，設(shè)2個(gè)拱腳段、26個(gè)拱箱段和一個(gè)合攏段共29個(gè)節(jié)段。拱腳水平投影15m范圍為0#現(xiàn)澆節(jié)段，縱向分為進(jìn)1～13#和出1～13#預(yù)制節(jié)段，最后留有85cm的合攏現(xiàn)澆段。

拱圈的預(yù)制節(jié)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(yù)制節(jié)段最重節(jié)段重量241.3t，最輕節(jié)段重量194.2t。

2.1 三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維模型建立

采用高精度掃描儀進(jìn)行野外數(shù)據(jù)掃描，獲取已安裝節(jié)段模型和即將安裝節(jié)段模型的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取時(shí)，點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)采集必須保證完整，精度滿(mǎn)足要求，在兩個(gè)節(jié)段對(duì)接面上加大點(diǎn)云密度。采集完成后預(yù)覽三維點(diǎn)云。

建立工程文件，對(duì)即將安裝模型與已安裝節(jié)段模型分別建立工程文件，分開(kāi)處理，處理步驟為：去除不必要區(qū)域點(diǎn)云、點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并等。對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，精度要求高，通過(guò)點(diǎn)云建模自動(dòng)生成TIN模型，同時(shí)將生成的模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差對(duì)比分析，保證重要區(qū)域精度均在2mm以?xún)?nèi)，模型誤差達(dá)到最小化。節(jié)段三維真景模型與照片對(duì)比，模型與點(diǎn)云的對(duì)比如圖2所示。

表1 部分整體分析表 單位：mm

表2 部分?jǐn)嗝娣治霰?單位：mm

圖2 節(jié)段三維真景模型與照片或點(diǎn)云的對(duì)比

2.2 構(gòu)件模型安裝對(duì)接分析

三維可視化模型建立完成后，要實(shí)現(xiàn)將模型對(duì)接安裝模擬分析，在虛擬安裝環(huán)境下通過(guò)空間位置和姿態(tài)固定來(lái)進(jìn)行分析，為了使剛建立的模型能夠與安裝好的構(gòu)件最佳對(duì)接，需要恢復(fù)即將安裝模型與已安裝模型的空間姿態(tài)和位置。通過(guò)事先做好輔助安裝標(biāo)志，在虛擬安裝模型中提取出輔助安裝標(biāo)志的坐標(biāo)，將輔助安裝標(biāo)志坐標(biāo)恢復(fù)到工程實(shí)際坐標(biāo)，即在實(shí)地中恢復(fù)了虛擬安裝模型的空間位置和姿態(tài)，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)段的安裝對(duì)接與軸線(xiàn)的控制。把模型的空間位置和姿態(tài)固定了，就可進(jìn)行對(duì)接分析。以進(jìn)9和進(jìn)10節(jié)段為例進(jìn)行分析。

2.2.1 進(jìn)9與進(jìn)10節(jié)段模型對(duì)接面3D分析

對(duì)進(jìn)-9節(jié)段和進(jìn)-10節(jié)段進(jìn)行3D分析，經(jīng)過(guò)外業(yè)三維掃描和內(nèi)業(yè)三維建模得到兩個(gè)節(jié)段的三維模型，通過(guò)對(duì)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(jié)果見(jiàn)表1、2。

圖3 整體分析和斷面分析（單位：mm）

2.2.2 進(jìn)9與進(jìn)10節(jié)段模型安裝后誤差分析

安裝后，通過(guò)實(shí)地掃描安裝好的拱圈，提取已安裝拱圈的軸線(xiàn)，分析其與理論軸線(xiàn)的偏差情況。安裝拱圈縱橫軸線(xiàn)與設(shè)計(jì)拱圈縱橫軸線(xiàn)偏差情況如圖4所示。

圖4 實(shí)際安裝拱圈與設(shè)計(jì)拱圈縱、橫軸線(xiàn)偏差情況

2.2.3 最終成拱后底板線(xiàn)形分析

最終成拱后，安裝上渡槽，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的變形穩(wěn)定后，對(duì)拱圈進(jìn)行掃描，獲取拱圈底板軸線(xiàn)數(shù)據(jù)，與理論值比較，最大相差在施工坐標(biāo)X＝153.2.處，差值為24mm。最終拱圈線(xiàn)形與設(shè)計(jì)理論偏差情況如圖5所示。

圖5 最終拱圈線(xiàn)形與設(shè)計(jì)理論偏差情況

3 關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制技術(shù)與實(shí)際安裝情況統(tǒng)計(jì)分析

3.1 多期掃描數(shù)據(jù)坐標(biāo)統(tǒng)一的控制方法

為了完成該項(xiàng)目，需建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，分期掃描的數(shù)據(jù)才能夠?qū)崿F(xiàn)坐標(biāo)統(tǒng)一。在渡槽兩岸分別布設(shè)3個(gè)強(qiáng)制對(duì)中觀(guān)測(cè)墩，通過(guò)徠卡TM05進(jìn)行野外數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)，采用一點(diǎn)一方位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立高精度的施工控制網(wǎng)。為解決國(guó)家坐標(biāo)系的投影變形，即尺度問(wèn)題，采用獨(dú)立施工坐標(biāo)系。每期數(shù)據(jù)掃描時(shí)，通過(guò)架設(shè)掃描儀在觀(guān)測(cè)墩上進(jìn)行掃描，架設(shè)3個(gè)反射片于對(duì)岸觀(guān)測(cè)墩上，通過(guò)后視一個(gè)反射片方式進(jìn)行定向，校核另兩個(gè)反射片坐標(biāo)，保證其坐標(biāo)定位定向的正確性。

3.2 三維模型與真實(shí)構(gòu)建誤差分配控制

為使兩個(gè)模型安裝在一起對(duì)接面誤差在5mm內(nèi)，其誤差是由掃描誤差、建模誤差、處理閾值引起的誤差三個(gè)構(gòu)成。采用2mm精度掃描儀進(jìn)行野外數(shù)據(jù)獲取，即掃描誤差2mm。同時(shí)在建模時(shí)，可保證所建模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差精度在2mm以?xún)?nèi)，這在三維建模軟件中是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵S多逆向軟件都有評(píng)估所建模型與原始點(diǎn)云模型偏差的功能，同時(shí)可以通過(guò)偏差參數(shù)控制模型重建。這樣我們假定處理閾值為Amm，根據(jù)誤差傳播理論最樣A≤3mm，可以確定對(duì)接面分析時(shí)誤差在3mm內(nèi)的不需處理，＞3mm的才進(jìn)行處理，最終保住對(duì)接面安裝在一起時(shí)的誤差在允許5mm精度范圍內(nèi)。

3.3 軸線(xiàn)誤差的控制

野外獲取數(shù)據(jù)前，在節(jié)段頂、兩側(cè)布設(shè)一些反射片，如圖6所示。在頂、底面中間 （軸線(xiàn)上）各布設(shè)三個(gè)反射片；兩側(cè)面上下中間也各布置3個(gè)反射片。

通過(guò)掃描儀掃描獲取點(diǎn)云構(gòu)建高精度三維立體仿真模型，通過(guò)紋理可獲取各標(biāo)志的位置坐標(biāo)。首先通過(guò)固定已安裝模型在絕對(duì)坐標(biāo)系下，調(diào)整即將安裝節(jié)段模型的空間位置和姿態(tài)至對(duì)接面最佳吻合為止，固定即將安裝節(jié)段模型的空間位置和姿態(tài)，讀取節(jié)段模型的反射片標(biāo)志坐標(biāo)與理論值進(jìn)行比較，誤差在允許范圍內(nèi)就采用該對(duì)接姿態(tài)，超限強(qiáng)制將反射片調(diào)整到理論值下，實(shí)現(xiàn)節(jié)段模型固定，這樣既能保證對(duì)接面處理程度最小，又能保證節(jié)段軸線(xiàn)誤差不至于積累過(guò)大，最終使拱圈節(jié)段橫向、縱向軸線(xiàn)貫通誤差在精度允許范圍內(nèi)。

圖6 節(jié)段上反射片布設(shè)位置示意圖

3.4 每節(jié)段實(shí)際安裝情況

通過(guò)高精度全站儀測(cè)量各節(jié)段安裝后前端反射片標(biāo)志的坐標(biāo)，橫向誤差最大值為出6#號(hào)節(jié)段8mm，縱向誤差最大值為進(jìn)8#節(jié)段32mm，軸線(xiàn)誤差最大值為進(jìn)1#節(jié)段-2mm，滿(mǎn)足軸線(xiàn)限差要求。

3.5 貫通軸線(xiàn)偏差情況

拱圈對(duì)接貫通橫向誤差為1.8cm，縱向誤差為1.2cm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)基于地面激光三維掃描技術(shù)開(kāi)發(fā)高大跨渡槽三維可視化模擬安裝測(cè)控技術(shù)和安裝方法，突破了復(fù)雜施工條件下大跨度拱圈變截面預(yù)制節(jié)段高精度安裝技術(shù)，并成功運(yùn)用于世界單跨最大的黔中水利樞紐龍場(chǎng)渡槽拱圈施工，保障施工安全，提高施工效率。該測(cè)控方法對(duì)于預(yù)制節(jié)段拼裝工程具有一定參考意義。

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