王唯一1,吳勇生,廖輝紅

(1.湖南省長(zhǎng)益高速公路擴(kuò)容工程建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000; 2.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410001)

相較于傳統(tǒng)的點(diǎn)位測(cè)量方式，地面三維激光掃描(Terrestrial Laser Scanning，TLS)技術(shù)可以快速、連續(xù)、高精度地采集掃描視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)物的整體表面點(diǎn)坐標(biāo)、顏色、反射率等數(shù)據(jù)[3]，為建立各種大型、異型鋼制橋梁構(gòu)件的三維實(shí)體模型并進(jìn)行虛擬預(yù)拼提供了一種全新的技術(shù)手段。本文主要針對(duì)工地大構(gòu)件整體預(yù)拼裝的應(yīng)用進(jìn)行研究，以湖南省長(zhǎng)沙至益陽(yáng)高速公路擴(kuò)容工程為例，結(jié)合TLS技術(shù)，詳細(xì)闡述了基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的多跨π型鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁(以下簡(jiǎn)稱π型鋼梁)的虛擬預(yù)拼和檢測(cè)方法。

1 方案設(shè)計(jì)

湖南省長(zhǎng)益高速公路擴(kuò)容工程路線基本呈東南-西北方向，工程鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁全長(zhǎng)2 647 m，以π型鋼梁為主體。選取其中右幅(4×30+4×35+4×30)m，共3聯(lián)12跨的π型鋼梁進(jìn)行三維激光掃描虛擬預(yù)拼和檢測(cè)研究。整體方案設(shè)計(jì)包括掃描設(shè)計(jì)、點(diǎn)云采集、點(diǎn)云處理、建模、預(yù)拼接與檢測(cè)，所用內(nèi)業(yè)處理軟件有SCENE和Geomagic Wrap軟件，主要實(shí)施流程如圖1。

圖1 π型鋼梁虛擬預(yù)拼和檢測(cè)流程設(shè)計(jì)Figure 1 Process design of virtual pre-spinning and detection of π-type steel beams

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理

項(xiàng)目工地往往環(huán)境復(fù)雜多變且通視困難，為了節(jié)約人力、提高作業(yè)效率，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集前需要做充足的準(zhǔn)備工作，包括設(shè)計(jì)資料查閱與場(chǎng)地勘察，根據(jù)工地實(shí)際情況布設(shè)掃描站點(diǎn)與標(biāo)靶并進(jìn)行預(yù)掃描，最終基于預(yù)掃描成果規(guī)劃最終的優(yōu)選掃描方案。采集到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和多站配準(zhǔn)，得到π型鋼梁的精細(xì)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)并依此進(jìn)行建模工作。

2.1 場(chǎng)地勘察與預(yù)掃描

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量直接影響模型建模的精度和橋梁結(jié)構(gòu)誤差的測(cè)量，先進(jìn)行項(xiàng)目場(chǎng)地勘察，記錄項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境、地形、障礙物分布、掃描目標(biāo)的幾何特征和項(xiàng)目場(chǎng)地的工作時(shí)間等資料。如圖2為該項(xiàng)目工地。

見圖2，該工程中掃描目標(biāo)各π型鋼梁橫向間距約3 m，縱向間距約10 m，單例π型鋼梁長(zhǎng)25～30 m，寬2～3 m。各掃描目標(biāo)分布密集，相鄰目標(biāo)間距過(guò)窄，且目標(biāo)物長(zhǎng)度跨度較大。

使用FARO Focus S150三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，相鄰站連接標(biāo)靶選用磁吸式標(biāo)靶球，首先在項(xiàng)目場(chǎng)地進(jìn)行預(yù)掃描，快速獲取較低精度和分辨率的目標(biāo)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。再通過(guò)內(nèi)業(yè)處理和所記錄的資料進(jìn)行工作安排，進(jìn)行設(shè)站位置與掃描標(biāo)靶分布形勢(shì)的布設(shè)和掃描儀掃描分辨率、掃描質(zhì)量的選設(shè)，推算工期并安排工作時(shí)間。

圖2 掃描場(chǎng)地實(shí)地勘察Figure 2 Site survey of scanning site

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

由實(shí)地勘察和預(yù)掃描完成掃描設(shè)計(jì)，掃描設(shè)計(jì)應(yīng)遵循少設(shè)站、標(biāo)靶分布范圍廣的原則[4]。單個(gè)π型鋼梁設(shè)8站掃描，在中橫梁和端承壓板兩端的掃描站相距5～10 m，其他掃描站相距10～15 m，相鄰掃描站間布設(shè)3個(gè)標(biāo)靶球且標(biāo)靶球不共線，標(biāo)靶球構(gòu)成平面與兩相鄰掃描站連線基本垂直。掃描儀掃描精度選取1/4分辨率雙倍質(zhì)量掃描，在距掃描儀10 m處單倍掃描分辨率為6.1 mm，單站掃描耗時(shí)3 min 47 s。

根據(jù)掃描設(shè)計(jì)對(duì)12例π型鋼梁進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，并記錄掃描目標(biāo)梁段的編號(hào)。單站π型梁掃描原始數(shù)據(jù)如圖3所示。

給我看病的是位老醫(yī)生。廢話，不是老醫(yī)生，能叫專家嗎？聽我說(shuō)完病情，一口否定是假牙在作怪，還說(shuō)過(guò)了這么多天，假牙早該排出去了。他用聽診器給我聽了聽左右胸，便提議給我拍個(gè)胸片。我和老婆對(duì)此都沒有異議，于是便交款拍了。大約兩個(gè)小時(shí)后，胸片及報(bào)告出來(lái)，我和老婆拿著胸片和病理報(bào)告回到了專家面前。

圖3 掃描場(chǎng)地實(shí)地勘察Figure 3 Scanned raw data of π beam

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

掃描采集得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大，需要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，減少冗余的掃描噪聲點(diǎn)并精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)量。使用SCENE軟件處理原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括掃描點(diǎn)的去噪、抽稀和分塊。π型鋼梁的中橫梁和端承壓板厚度約為1.3 cm，為保證建模精度，一處平面上應(yīng)保留3個(gè)掃描點(diǎn)，設(shè)置點(diǎn)云柵格抽稀分辨率為6 mm。掃描點(diǎn)與掃描站間距越大點(diǎn)位精度越低，為保證掃描點(diǎn)位精度，設(shè)置單站點(diǎn)云距掃描站的有效距離為15 m進(jìn)行點(diǎn)云圓形分塊。

2.4 點(diǎn)云配準(zhǔn)

地面激光掃描通過(guò)有限視場(chǎng)、不同視角的多站掃描，才能完成物體形態(tài)或地表形態(tài)測(cè)量。統(tǒng)一同一掃描目標(biāo)的多站點(diǎn)云坐標(biāo)的工作，通常稱為點(diǎn)云配準(zhǔn)[5]。相鄰站掃描點(diǎn)云一般情況下通過(guò)3個(gè)標(biāo)靶球來(lái)配準(zhǔn)，但該工地掃描視場(chǎng)內(nèi)掃描目標(biāo)分布過(guò)于密集，掃描空間較小，使得標(biāo)靶分布奇異[4]，造成點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差過(guò)大。為減小配準(zhǔn)時(shí)標(biāo)靶分布奇異誤差，通過(guò)SCENE軟件提取掃描視場(chǎng)內(nèi)的分布范圍較廣的固定大平面用于輔助配準(zhǔn)，提高配準(zhǔn)精度。如圖4為兩例已經(jīng)預(yù)處理與配準(zhǔn)后π型鋼梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖4 點(diǎn)云預(yù)處理與配準(zhǔn)后Figure 4 After preprocessing and registration of the point cloud

見圖4，該2例π型鋼梁由12站掃描站進(jìn)行配準(zhǔn)，黑色長(zhǎng)方體為各掃描站中掃描儀所在位置，綠色球體和綠色平面為點(diǎn)云配準(zhǔn)所用的連接標(biāo)靶。在點(diǎn)云配準(zhǔn)后將點(diǎn)云導(dǎo)出為wrl格式，并根據(jù)梁號(hào)命名，以便在Geomagic Wrap軟件中進(jìn)行建模與檢測(cè)操作。

2.5 建模

點(diǎn)云數(shù)據(jù)離散且相互間沒有幾何聯(lián)系，不便于觀察與誤差分析。通過(guò)Geomagic Wrap對(duì)掃描點(diǎn)云進(jìn)行Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建，得到π型鋼梁的表面模型，從而對(duì)建立的模型進(jìn)行誤差分析。在Geomagic Wrap中分別進(jìn)行裁剪、封裝、著色、修補(bǔ)等操作，得到單例π型鋼梁掃描模型見圖5。

3 虛擬預(yù)拼及檢測(cè)

該工程π型鋼梁跨度過(guò)大且整體的精度要求較高，單例π型鋼梁表面三角網(wǎng)模型約有160萬(wàn)個(gè)三角形，數(shù)據(jù)量較大，導(dǎo)出的模型數(shù)據(jù)在CAD等工程圖形軟件內(nèi)無(wú)法打開或打開后運(yùn)行卡頓，無(wú)法有效地進(jìn)行虛擬預(yù)拼和檢測(cè)，文獻(xiàn)[6]提出了用nurbs曲面重構(gòu)方法進(jìn)行大型鋼結(jié)構(gòu)建模，在相同點(diǎn)云數(shù)據(jù)、相同精度的情況下，nurbs曲面模型的數(shù)據(jù)量與Delaunay三角網(wǎng)模型數(shù)據(jù)量相似，同樣具有大數(shù)據(jù)量的特點(diǎn)，亦無(wú)法在CAD等工程圖形軟件內(nèi)進(jìn)行虛擬預(yù)拼，并且nurbs曲面模型的建立需要在Delaunay三角網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行，步驟繁瑣。因此為解決以上問(wèn)題，提出通過(guò)Geomagic Wrap軟件內(nèi)多項(xiàng)功能組合對(duì)π型鋼梁虛擬預(yù)拼和檢測(cè)。

3.1 π型鋼梁虛擬預(yù)拼

該工程右幅單跨由4例π型鋼梁組成，由道路中心線至道路邊緣分別編號(hào)ZKA、ZKB1、ZKB2、ZKC，除ZKA、ZKC各少一處中橫梁外，其他構(gòu)造相同，可知一處中橫梁表面三角網(wǎng)數(shù)約1.3萬(wàn)，約為該鋼梁三角網(wǎng)總數(shù)的0.81%，數(shù)量較少，即模型中在構(gòu)造上相同的三角網(wǎng)數(shù)量高達(dá)99%以上，相似度較高。由此給出一種預(yù)拼方法，步驟如下：

a.模型擬合。將2例不同坐標(biāo)系中的π型梁表面模型進(jìn)行擬合，此時(shí)可看作2例π型鋼梁重合。之后對(duì)單跨所有鋼梁進(jìn)行相同的步驟，得到單跨4例鋼梁的擬合模型。

b.模型拼接。通過(guò)設(shè)計(jì)圖各梁間的拼接設(shè)計(jì)，分別對(duì)基礎(chǔ)梁以外的3例梁進(jìn)行虛擬預(yù)拼。將Y7跨4例(-ZKA、-ZKB1、-ZKB2、-ZKC)π型鋼梁模型拼接后的成果見圖6。

圖6 單跨π型鋼梁虛擬預(yù)拼Figure 6 Virtual pre-spinning of single-span π-shaped steel beam

3.2 誤差檢測(cè)

3.2.1單個(gè)梁誤差檢測(cè)

通過(guò)切面法獲得單例模型的橫縱切面，再測(cè)量切面特征距離，通過(guò)與設(shè)計(jì)圖比對(duì)來(lái)檢測(cè)誤差。見圖7。

3.2.2虛擬預(yù)拼誤差檢測(cè)

在預(yù)拼后，同樣通過(guò)切面來(lái)檢測(cè)中橫梁的對(duì)拼誤差等誤差。見圖8、圖9。

圖7 多跨π型鋼梁虛擬預(yù)拼Figure 7 Virtual pre-spinning of multi-span π-shaped steel beams

圖8 單跨π型鋼梁虛擬預(yù)拼誤差檢測(cè)Figure 8 Virtual pre-spinning error detection of a single-span π-shaped steel beam

4 結(jié)語(yǔ)

鋼混結(jié)構(gòu)橋梁具有結(jié)構(gòu)自重輕、環(huán)保節(jié)能、工廠化施工程度高、施工速度快的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的新型橋梁結(jié)構(gòu)。目前，鋼混結(jié)構(gòu)橋梁在高速公路上使用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)少，對(duì)橋梁施工過(guò)程質(zhì)量控制要點(diǎn)掌握不足，對(duì)運(yùn)營(yíng)期間橋梁受力特點(diǎn)缺乏足夠數(shù)據(jù)支撐。本橋上部結(jié)構(gòu)采用π型鋼混結(jié)構(gòu)，施工工序多，施工控制精度要求高，施工控制難度大。

圖9 多跨π型鋼梁虛擬預(yù)拼誤差檢測(cè)Figure 9 Virtual pre-spinning error detection of multi-span π-shaped steel beams

三維激光掃描具有采集速度快、精度高、面狀測(cè)量、無(wú)需接觸目標(biāo)物體等優(yōu)勢(shì)。利用采集回來(lái)的數(shù)據(jù)建立目標(biāo)三維模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)對(duì)比報(bào)告全面得到加工物件與設(shè)計(jì)模型間的誤差，誤差報(bào)告對(duì)加工的實(shí)體物件進(jìn)行再次加工，直到符合構(gòu)件精度要求，最后在軟件中進(jìn)行虛擬裝配。三維激光掃描鋼結(jié)構(gòu)橋梁虛擬預(yù)拼，便于實(shí)施，精度有保證，并且可以縮短工期，降低成本。