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        基于實測點云的裝配式鋪面虛擬裝配技術(shù)

        2020-06-04 02:56:58趙基煥趙鴻鐸
        交通科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:鋪面掃描儀面板

        焦 寶 趙基煥 趙鴻鐸

        (1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804;2.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司 上海 200092)

        裝配式鋪面具有工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、機械化的特點,相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆水泥混凝土鋪面,其建造速度快、工程質(zhì)量高、施工過程綠色環(huán)保[1],可作為鋪面快速修復(fù)與改擴建的有效手段。

        裝配式鋪面采用工廠預(yù)制,其現(xiàn)場安裝的特點對施工精度有了更高的要求。如果板塊的三維尺寸與裝配空間不匹配,會給現(xiàn)場裝配帶來困難,嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致裝配失敗,影響工期和工程質(zhì)量。采用虛擬裝配技術(shù),檢驗和評價路面結(jié)構(gòu)的可裝配性,提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的裝配干涉,是提高裝配式鋪面施工效率,確保工程質(zhì)量的有效手段。

        裝配式鋪面的三維信息是虛擬裝配的基礎(chǔ)。三維激光掃描技術(shù)能快速得到目標(biāo)海量、高精度的三維點云數(shù)據(jù),是獲取裝配式鋪面三維信息的較優(yōu)選擇。近年來,國外已有學(xué)者將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于裝配式構(gòu)件的三維尺寸校核中。Bosche等[2]人使用三維激光掃描儀對水泥混凝土墻面的平整度進行了評價,并在此基礎(chǔ)上提取了圓柱體混凝土構(gòu)件的幾何尺寸。Kim等[3]利用點云數(shù)據(jù)的邊緣檢測與角點提取算法得到了裝配式橋面板的幾何尺寸,并進一步獲取了裝配式橋面板的空間位置,精度可達2 mm。Yoon等[4]通過三維激光掃描儀,識別了裝配式橋面板及水泥混凝土梁間連接件的幾何尺寸與位置,并分析了裝配過程中的尺寸不匹配情況。上述研究結(jié)果證明了三維激光掃描技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件三維尺寸檢測中的可行性和有效性,但其試驗結(jié)果多基于室內(nèi)試驗,未使用工程現(xiàn)場的實測點云數(shù)據(jù),且并未進一步考慮預(yù)制構(gòu)件的虛擬裝配過程。

        本文使用三維激光掃描技術(shù)獲取了裝配式鋪面施工現(xiàn)場的實測點云,通過采樣、去噪、配準(zhǔn)等預(yù)處理技術(shù)與特征提取算法實現(xiàn)了裝配式鋪面板和裝配空間的三維重構(gòu)。最后,基于CATIA軟件,提出了裝配式水泥混凝土鋪面的虛擬裝配方法,并通過裝配干涉表給出了發(fā)生裝配干涉時的施工解決方案。

        1 裝配式鋪面三維信息的獲取與處理

        1.1 三維點云數(shù)據(jù)獲取方法

        本文選用基于干涉相位法的Focus3D X130三維激光掃描儀,對上海市某裝配式鋪面施工現(xiàn)場進行了三維掃描。該設(shè)備在中近距離具有較高的測量精度,可以滿足裝配式鋪面對于點云數(shù)據(jù)精度和掃描速度的需求。掃描對象為裝配式鋪面板及裝配空間。后續(xù)點云數(shù)據(jù)處理、三維重構(gòu)及虛擬裝配過程均基于該工程現(xiàn)場的實測點云數(shù)據(jù)。

        由于測量視線遮擋等原因,單站測量往往不能獲得全部的三維信息,故采用多站測量及后期配準(zhǔn)的方式獲取掃描對象完整的三維點云。本文對于裝配式鋪面和裝配空間選用的測站數(shù)均為3站,不同測站間夾角約120°,掃描儀測距約為25 m,點云橫、縱向的采樣間隔均為5 mm。為確保點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精確度,在相鄰2個測站間的公共掃描范圍內(nèi)放置多個標(biāo)靶球作為配準(zhǔn)參照物,見圖1所示。

        圖1 三維激光掃描儀及標(biāo)靶球

        1.2 裝配式鋪面點云處理方法

        三維激光掃描儀獲取的原始點云數(shù)據(jù)往往會包含很多掃描對象外的點云信息,無法直接應(yīng)用于三維重構(gòu)與虛擬裝配。需要先對原始點云進行采樣、去噪、配準(zhǔn)拼接等處理。

        1.2.1 點云降采樣

        裝配式鋪面的幾何結(jié)構(gòu)較為簡單,并不適合直接使用原始的海量點云數(shù)據(jù)進行三維重構(gòu)。一方面,大量的點云數(shù)據(jù)會嚴(yán)重影響裝配式鋪面三維重構(gòu)的效率;另一方面,過高密度的數(shù)據(jù)并不能顯著提高裝配式鋪面三維重構(gòu)的精度,反而可能由于異常點的增多影響重構(gòu)精度。

        本文采用體素化網(wǎng)格法對點云進行采樣。首先利用原始點云建立三維體素柵格,根據(jù)精度需求將柵格劃分為若干個小柵格。依次計算各柵格內(nèi)點云的重心,用重心點來替代柵格中的全部點云數(shù)據(jù)。該方法能夠在保證點云形狀特征及鋪面板重構(gòu)準(zhǔn)確性的情況下,減少約70%的點云的數(shù)量。

        1.2.2 點云去噪

        原始點云中會不可避免地出現(xiàn)噪聲,選擇合適的去噪算法是確保三維重構(gòu)精度的關(guān)鍵。點云數(shù)據(jù)中的噪聲點主要包括離群點和主體點云表面上的噪聲點兩類。

        離群點云可通過點云k近鄰的平均歐式距離剔除。利用八叉樹索引找出點云的k近鄰,如果k近鄰距目標(biāo)點云的平均距離大于閾值,即認(rèn)為該點為離群點。對裝配式鋪面基層點云進行離群點云過濾的效果圖見圖2,其中白圈部分即為篩選出的離群點云。

        圖2 離群點云過濾效果

        貼合在主體點云表面上的噪聲可采用雙邊濾波去除。雙邊濾波通過取采樣點領(lǐng)域內(nèi)的加權(quán)平均值來修正當(dāng)前點,從而將點云數(shù)據(jù)中特征起伏比較劇烈的尖銳部分進行平滑,同時也會有選擇地提出當(dāng)前采樣點差異過大的鄰近點[5]。

        雙邊濾波的迭代過程定義為

        p=p+αn

        式中:p為數(shù)據(jù)點;n為數(shù)據(jù)點p的法向量;α為雙邊濾波加權(quán)因子。

        其中:N(pi)為數(shù)據(jù)點pi的鄰域點集;ni為數(shù)據(jù)點pi的法向量;Wc為光順濾波函數(shù),Ws為特征保持權(quán)重函數(shù)。Wc和Ws都為高斯濾波函數(shù),其定義分別為

        Wc(x)=e-x2/2σc2

        Ws(x)=e-x2/2σs2

        式中:參數(shù)σc為空間域權(quán)重,控制濾波的程度;參數(shù)σs為特征域權(quán)重。

        對基層點云使用σc=4,σs=2,m=30的雙邊濾波進行6次濾波迭代,過濾效果圖見圖3。由圖3可見,雙邊濾波能夠較好地去除基層點云表面的異常突起,并且較好地保留了基層表面的原有三維特征。

        圖3 雙邊濾波過濾效果

        1.2.3 點云配準(zhǔn)方法

        點云數(shù)據(jù)在經(jīng)過采樣和去噪后,即可進行配準(zhǔn)拼接,將多站測量的結(jié)果拼成完整的點云。

        三維激光掃描儀一般通過標(biāo)靶球法拼接多站點云。其原理是在相鄰的2個連續(xù)測站之間的公共空間放置至少3個標(biāo)靶球,掃描儀中配套的點云處理軟件能夠自動識別點云數(shù)據(jù)中的標(biāo)靶球,進而完成配準(zhǔn)拼接操作。

        2 裝配式鋪面三維重構(gòu)方法

        2.1 裝配空間的三維重構(gòu)方法

        裝配式鋪面的裝配空間中包括基層和周邊原位板塊2類點云對象,在三維重構(gòu)時需要對其進行分割處理。裝配空間中基層與周邊原位板側(cè)面互相垂直,且單塊板上的點云基本位于1個平面,因此,可通過平面提取分割出周邊板的點云。

        點云平面提取的實質(zhì)是找出與平面距離小于閾值δ0的點。若平面參數(shù)矩陣為F=[abcd]T,則候選點的坐標(biāo)Pi(xi,yi,zi)應(yīng)滿足

        [xiyizi-1]F≤δ0

        本文采用RANSAC算法,分割出周邊原位板的點云。分割時,隨機選取3個點計算出初始平面的參數(shù)矩陣,并篩選出位于該平面內(nèi)的點云。重復(fù)選取平面的過程,并逐步合并相鄰的平面(平面間夾角或距離小于閾值)。最終,裝配空間點云的分割結(jié)果見圖4,其中白色部分為基層點云,四周的淺灰色部分為周邊原位板點云。

        圖4 裝配空間點云分割結(jié)果

        裝配空間中,周邊原位板的點云可直接用擬合平面重構(gòu);而基層的高程往往起伏不定,為了還原基層真實的三維信息,確保虛擬裝配的有效性,采用基于三維Delaunay三角劃分的曲面重建算法[6]進行精確的三維重構(gòu)。裝配空間的三維重構(gòu)結(jié)果見圖5。

        圖5 裝配空間點云的三維重構(gòu)結(jié)果

        2.2 裝配式鋪面板的三維重構(gòu)方法

        相比于裝配空間,裝配式鋪面板的幾何形狀較簡單,若采用曲面重建算法建模效率過低。本文直接提取出裝配式鋪面板的邊界和角點,采用幾何建模法進行三維重構(gòu),重構(gòu)過程見圖6。

        圖6 裝配式鋪面板的三維重構(gòu)

        首先將鋪面板的點云數(shù)據(jù)投影到XOY水平面,并以z值作直方圖。取直方圖突變處的z值作為閾值,即可提取出鋪面板點云的邊界。

        鋪面板的角點采用基于邊界曲率的k-cosine法提取[7]。計算邊界點的曲率時,首先要確定該點在邊界線上的支撐區(qū)域。鋪面板的邊界線點云一般為直線,選取支撐區(qū)域的方法見圖7[8]。

        圖7 支撐區(qū)域示意圖

        點Pi的支持區(qū)域由其鄰近的2k+1個點組成。lik為支持區(qū)域端點Pi-k和Pi+k之間的弦長,dik為點Pi到弦Pi-k和Pi+k的距離。當(dāng)下式任一條件滿足時,即可確定k值與支撐區(qū)域的范圍。

        圖8 邊界點曲率計算圖

        篩選出曲率角大于閾值的候選角點,再通過距離閾值合并候選角點間距小于閾值的點,剩余的點即為最終角點。根據(jù)板塊邊界點云和角點的三維坐標(biāo),可直接構(gòu)建板塊的三維模型,在相應(yīng)位置處添加預(yù)埋構(gòu)件后即完成裝配式鋪面板的三維重構(gòu)。

        3 裝配式鋪面虛擬裝配方法

        本文在CATIA軟件的數(shù)字化裝配(DMU)模塊中實現(xiàn)裝配式鋪面的虛擬裝配。

        3.1 裝配約束關(guān)系及裝配路徑設(shè)計

        裝配約束關(guān)系的作用是約束各個模型的自由度及模型間相對位置,從而確保裝配體的正常生成。裝配式鋪面板與預(yù)埋構(gòu)件之間通過面相合約束、偏移約束和固定約束結(jié)合,板塊之間通過接觸約束和連接構(gòu)件間的相合約束連接。為保證板塊裝配位置的準(zhǔn)確性,在裝配空間中選出一個參考平面,并在連接后的鋪面板與參考平面間設(shè)置相合約束。

        在對各模型完成約束添加后,對模型之間進行約束求解,獲得每個模型在空間中的最終位置。之后進入CATIA的裝配規(guī)劃模式,根據(jù)實際施工的要求,設(shè)計出虛擬裝配路徑見圖9。

        圖9 虛擬裝配路徑

        3.2 裝配干涉檢測

        裝配干涉檢測的目的是找出裝配過程中模型間可能發(fā)生的幾何沖突。虛擬裝配主要對預(yù)制板與基層、預(yù)制板與周邊板塊、預(yù)制構(gòu)件之間的裝配干涉進行檢測。結(jié)合裝配式鋪面的施工特點,在干涉查詢表中提出干涉時的解決方案見表1。

        表1 干涉查詢表

        注:(1)-預(yù)制板快與基層幾何尺寸不匹配,需調(diào)整基層頂面高程;(2)-預(yù)制板塊與周邊板塊幾何尺寸不匹配,需對周邊板塊進行處理,擴大裝配空間;(3)-接縫連接構(gòu)件與預(yù)制板塊干涉,需調(diào)整預(yù)制板塊間相對位置;(4)-接縫連接構(gòu)件與預(yù)制板塊干涉,需調(diào)整接縫連接構(gòu)件的位置或預(yù)制板塊的裝配位置;(5)-調(diào)平預(yù)埋構(gòu)件與基層發(fā)生干涉,需整平構(gòu)件下方的基層。

        以預(yù)制板塊與基層的裝配干涉檢測為例,其檢測方法為:根據(jù)預(yù)制板塊的板角坐標(biāo)和板塊設(shè)計高程,計算出預(yù)制板塊底平面的參數(shù),該平面稱為虛擬裝配面。以虛擬裝配面為基準(zhǔn)面,位于虛擬裝配面之上的點云,即為可能發(fā)生裝配干涉的區(qū)域。板塊與基層發(fā)生裝配干涉的示意圖見圖10,深色標(biāo)記處即為可能發(fā)生裝配干涉的區(qū)域。根據(jù)表1,此時需要對干涉區(qū)域的基層進行整平處理,并調(diào)整基層頂面的高程。

        圖10 板塊與基層發(fā)生裝配干涉示意圖

        4 結(jié)語

        本文采用三維激光掃描儀獲取了裝配式鋪面工程現(xiàn)場的實測點云。在完成原始點云預(yù)處理后,針對裝配式鋪面板與裝配空間不同的幾何特點,采用不同的方法實現(xiàn)了兩者的三維重構(gòu)。最后,在CITIA軟件的裝配環(huán)境下,研究了裝配式鋪面虛擬裝配的裝配約束建立方法與裝配路徑設(shè)計方法,提出了裝配干涉的檢測方法,并通過干涉查詢表給出了相應(yīng)的解決方案。

        本文提出的虛擬裝配技術(shù)精度高、檢測效果良好,能夠提前感知裝配式鋪面施工過程中可能存在的裝配干涉問題,一定程度上提高了施工的精度與效率。目前本文仍存在一定的局限性:①點云數(shù)據(jù)的處理與虛擬裝配過程需在內(nèi)業(yè)進行,暫未實現(xiàn)施工現(xiàn)場的實時檢測,需進一步優(yōu)化點云處理和三維重構(gòu)的方法,提升虛擬裝配的效率;②三維激光掃描儀昂貴的價格一定程度上限制了虛擬裝配技術(shù)的推廣,可嘗試使用深度相機等廉價的三維掃描設(shè)備。

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