蔣海里 陳柳花 程效軍 朱明芳 李金濤

(1. 上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司, 上海 200433; 2. 同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院, 上海 200092;3. 自然資源部現(xiàn)代工程測量重點實驗室, 上海 200092)

0 引言

作為一種新興的建筑結(jié)構(gòu)形式,鋼結(jié)構(gòu)相比于混凝土結(jié)構(gòu)具有強度高、施工周期短、低碳環(huán)保等特點,因此鋼結(jié)構(gòu)越來越多地被應(yīng)用于超高層建筑、機場、體育館、大型橋梁等項目中[1-2]。大型鋼結(jié)構(gòu)一般采用分段制造現(xiàn)場拼接的方式。為控制鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量、保證各部分構(gòu)件在現(xiàn)場能順利實現(xiàn)拼裝,分段制造的鋼結(jié)構(gòu)在出廠前需要進(jìn)行模擬預(yù)拼裝。

三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維點云模型,具有速度快、精度高、非接觸、全天候等特點,在大型鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝領(lǐng)域得到了許多工程界學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]和[4]通過布設(shè)公共標(biāo)靶,從掃描點云數(shù)據(jù)中提取標(biāo)靶坐標(biāo)并人工指定對應(yīng)匹配點對,實現(xiàn)兩構(gòu)件點云的模擬預(yù)拼裝,該方法耗時耗力,且當(dāng)兩構(gòu)件相距較遠(yuǎn)時公共靶標(biāo)難以滿足兩測站共視條件,靶標(biāo)難以布設(shè);文獻(xiàn)[5]擬合點云中的螺栓、構(gòu)件圓心等特征點，通過點云配準(zhǔn)實現(xiàn)構(gòu)件點云的模擬預(yù)拼裝,該方法自動化程度低,精度較差;文獻(xiàn)[6]在點云模型中人工提取關(guān)鍵點，通過點云配準(zhǔn)實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的模擬預(yù)拼裝,該方法提取的特征點精度低,拼接誤差大;文獻(xiàn)[7]采用點云與BIM模型對齊的方式將多段構(gòu)件分別與整體設(shè)計模型對齊后，分析相鄰構(gòu)件間的拼裝誤差,從而實現(xiàn)模擬預(yù)拼裝?，F(xiàn)有的利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝的方法主要為基于特征點匹配的方式,存在自動化程度低、工作量大且精度差的問題。

為此本文提出了一種基于線特征匹配的鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝方法,該方法首先提取待拼接處兩構(gòu)件的特征線,然后通過線特征自動匹配的方式實現(xiàn)兩構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝。

1 模擬預(yù)拼裝算法

本文提出的基于線特征匹配的鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝方法主要包括特征線提取和線特征匹配兩個過程,算法流程如圖1所示。通過將提取的線特征進(jìn)行自動匹配實現(xiàn)兩構(gòu)建點云的模擬預(yù)拼裝。

圖1 算法流程圖

1.1 指定待拼接位置

為實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝,針對配準(zhǔn)后的兩待拼裝構(gòu)件點云數(shù)據(jù),首先需要人工指定要進(jìn)行拼接的兩構(gòu)件位置。該過程通過CloudCompare軟件中點云的移動操作實現(xiàn),在軟件中通過簡單的平移操作將某構(gòu)件待拼接處大致靠近另一構(gòu)件的待拼接處,指定用兩構(gòu)件的該處進(jìn)行拼接。

1.2 切片生成

本文采取沿構(gòu)件拼接處特征線方向進(jìn)行切片的方式實現(xiàn)點云的局部加密,進(jìn)而從切片中提取該方向上的線特征點。為有效提取線特征點,首先需要確定切片方向。大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼接處特征線主要沿三個相互垂直的方向,因此需要確定三個相互垂直的方向并將其作為切片方向。在進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集時對三維激光掃描儀進(jìn)行的整平操作可使點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的Z坐標(biāo)軸垂直于地面,大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件放置時拼接面通常與地面垂直,因此Z坐標(biāo)軸為切片方向,將其作為第一切片方向(圖2中S1),與構(gòu)件主軸線一致垂直于拼接面的方向為另一切片方向。為確定構(gòu)件主軸線方向,將構(gòu)件點云投影到X、Y平面,構(gòu)件的主軸線方向在X、Y平面內(nèi)可采用主成分分析法(Principal Component Analysis， PCA)[8]計算,對所有的投影點構(gòu)造一協(xié)方差矩陣D

圖2 切片方向

(1)

矩陣D的最大特征值所對應(yīng)的特征向量即為構(gòu)件的主軸線方向,將其作為第二切片方向(圖2中S2)。第三切片方向與第一、第二切片方向垂直正交,構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系(圖2中S3)。

對構(gòu)件點云分別沿第一、第二、第三3個切片方向進(jìn)行切片,即采用一組與切片方向相垂直的平行平面對構(gòu)件點云進(jìn)行分割,并將構(gòu)建的三維點云投影到對應(yīng)的二維分割平面上。設(shè)原始構(gòu)建點云的坐標(biāo)范圍為(Xmin,Ymin,Zmin)～(Xmax,Ymax,Zmax),以沿第一切片方向S1進(jìn)行切片為例,此時平面點集由一組坐標(biāo)序列Zm構(gòu)成

Zm=Zmin+m·Zthick

(2)

其中,m=0,1,…,|h/Zthick|;m表示切片層數(shù);h=Zmax-Zmin;Zthick表示切片厚度;|·|表示向上取整函數(shù)。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼接面的復(fù)雜程度和掃描點的疏密程度,Zthick取為3～5倍的平均點間距。

1.3 線特征點提取

橋梁構(gòu)件經(jīng)1.2中的方式沿線特征的三個切片方向分別進(jìn)行切片后,橋梁構(gòu)件的線特征點在切片上均表現(xiàn)為端點或拐角點。由于原始點云在掃描時具有一定的掃描密度和掃描誤差,此處的端點和拐角點均指以該點為中心,以r為半徑的近鄰域內(nèi)點的集合,根據(jù)原始點云掃描密度的不同,r可取為1～5 mm。圖3為某個沿第一切片方向S1的切片,切片上的端點和拐角點均為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中垂直于地面的線特征點。因此構(gòu)件中特征線的提取轉(zhuǎn)換為切片平面上端點和拐角點的提取,提取方式如下:

(1)循環(huán)某個切片上的所有點Pi(i=1,2,…,I,I為對應(yīng)切片上的點數(shù)),對每個點Pi,搜索Pi的R近鄰域點,用R近鄰域點做局部特征分析,R取為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中方向一致的相鄰直線間的最短距離。

(2)計算R鄰域內(nèi)每個點到Pi點的距離,若不存在距離大于r的點,則將Pi看作孤立的噪聲點,不進(jìn)行保留;若R鄰域內(nèi)存在距離大于r的點,則執(zhí)行步驟3～5。

(3)尋找R鄰域內(nèi)距離Pi點最遠(yuǎn)的點,將其作為為參考點Pr,Pr如圖3中的虛線點所示。

(4)將PiPr方向作為參考方向,計算Pi到R鄰域內(nèi)其他點Pj的方向與參考方向之間的角度θj。

(5)若除r鄰域點(圖3中淺色實點)外,不存在角度在135°～180°之間的點,則將Pi作為特征點(端點或拐角點),對其進(jìn)行保留;若除r鄰域點外,存在角度在135°～180°之間的點,則將Pi作為非特征點(內(nèi)部點),不對其進(jìn)行保留。

圖3 切片上特征點提取

切片上提取的平面特征點對應(yīng)該切片垂直方向上的線特征點,因此將切片平面中的端點和拐角點映射到三維空間即得該切片方向上的特征線。圖4為沿第一切片方向的某相鄰幾個切片及映射到三維空間的線特征點。

圖4 平面切片及映射回三維空間的線特征點

1.4 線特征匹配

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的模擬預(yù)拼裝實際上為剛體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程,通過空間坐標(biāo)變換使兩個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在拼接處匹配到一起。如圖5所示,圖5(a)為兩構(gòu)件在拼接處的特征線,以圖5(a)中左側(cè)特征線為基準(zhǔn),將右側(cè)特征線通過坐標(biāo)變換統(tǒng)一到左側(cè)特征線所在的坐標(biāo)系下,拼接后兩構(gòu)件的特征線應(yīng)最優(yōu)地重合在一起,如圖5(b)所示。為實現(xiàn)該坐標(biāo)變換過程,以2.3中提取的線特征點為匹配對象,采用最鄰近點迭代法(Iterative Closest Point， ICP)[9-11]進(jìn)行坐標(biāo)變換參數(shù)的計算。

圖5 模擬預(yù)拼裝圖示

1.5 模擬預(yù)拼裝

采用線特征匹配的方式計算出拼裝構(gòu)件的坐標(biāo)變換參數(shù)后,對拼裝構(gòu)件按照計算出的參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換,將兩構(gòu)件統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下即可實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝過程。

2 實驗分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)

以某鋼結(jié)構(gòu)加工廠生產(chǎn)的某大型橋梁構(gòu)件點云作為實驗數(shù)據(jù)對本文提出的模擬預(yù)拼裝方法進(jìn)行實驗驗證。相鄰兩個橋梁構(gòu)件的掃描點如圖6所示,構(gòu)件A和構(gòu)件B的長度分別為17.72和26.86 m,點數(shù)量分別為15,561,955和40,375,521,待拼接處點云的平均點間距為3.9 mm。

圖6 橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件點云數(shù)據(jù)

2.2 實驗結(jié)果及分析

以26.86 m的長構(gòu)件為基準(zhǔn),將17.72 m的短構(gòu)件拼接到長構(gòu)件上。首先在CloudCompare軟件中通過平移短構(gòu)件點云來指定兩構(gòu)件的拼接位置,如圖7所示。然后提取待拼接處的特征線,提取結(jié)果如圖8所示。通過特征線匹配實現(xiàn)橋梁構(gòu)建的模擬預(yù)拼裝,其整體拼接結(jié)果如圖9所示,圖10為拼接處四個拼接面的放大拼接效果。

圖7 指定待拼接位置

圖8 提取待拼接處特征線

圖9 整體拼接結(jié)果

圖10 局部拼接結(jié)果

從圖8中可以看出,本文提出的特征線提取方法能較完整地提取出鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件待拼接處的特征線。從圖9和圖10中可以看出,本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的預(yù)拼接效果,對點云密度較小的構(gòu)件底部平面,也能實現(xiàn)較完整地拼接。圖10中左右兩邊分別為對應(yīng)的兩個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。左側(cè)對應(yīng)拼接的基準(zhǔn)構(gòu)件(長構(gòu)件)，右側(cè)對應(yīng)待拼接構(gòu)件(短構(gòu)件)。

為定量分析本文方法的拼接精度,將拼接后兩構(gòu)件在拼接處特征線的重合程度作為拼接精度的衡量指標(biāo),該重合程度用拼接構(gòu)件拼接處特征線上所有的點到基準(zhǔn)構(gòu)件拼接處特征線上最近點的距離的平均值表示。采用該方法計算得實驗結(jié)果的拼接精度為7.6 mm,約為兩倍的平均點間距,具有較高的拼接精度。

3 結(jié)束語

與大多數(shù)基于特征點匹配的方式利用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬預(yù)拼裝的方法不同,本文提出了一種基于線特征匹配的模擬預(yù)拼裝方法。該方法首先基于切片的方式提取構(gòu)件待拼接處的特征線,然后通過特征線匹配采用ICP算法計算最優(yōu)坐標(biāo)變換參數(shù)進(jìn)而實現(xiàn)構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝。該方法大大提高了大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬拼裝的自動化程度,減少了人工干預(yù)。且實驗表明,該方法具有較高的模擬預(yù)拼裝精度,可用于具體鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝實踐。該方法對利用三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)自動模擬預(yù)拼裝具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。