馬增琦， 楊承昆， 孫文晉， 吳勇生， 蔡 敏， 郭寶云， 文 言

(1.廣東云茂高速公路有限公司， 廣州 510623； 2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司， 長沙 410200； 3.山東理工大學 建筑工程學院， 山東 淄博 255049)

隨著中國鋼鐵工業(yè)技術的飛速發(fā)展以及鋼產量的不斷提高，鋼結構在土木工程領域中的應用越來越廣泛，其中大型的、復雜的鋼結構橋梁也逐漸增多[1]。由于運輸或吊裝等條件限制，鋼結構橋梁一般采用分段、分體的方式進行制作，為了檢測其制作的精度以及保證現場安裝順利實施，在構件出廠前需要在工廠內進行構件檢測，并且在工地進行大構件整體預拼[2]。傳統(tǒng)測量方法多采用全站儀、鋼尺測距等方式進行構件檢測，通過采集目標構件上特征點的坐標和特征距離，該方法耗時耗力且無法獲取高精度數據，并且傳統(tǒng)檢測方法在面對結構復雜、空間跨度大的鋼制橋梁時，其檢驗過程更加繁瑣、外業(yè)工作量陡增[3]，且人工采集特征點誤差較大，三維模型可信度低。

地面三維激光掃描(terrestrial laser scanning，TLS)技術可以快速、連續(xù)、高精度地采集掃描視場內目標物的表面點坐標、顏色、反射率等數據[4-7]，為建立各種大型、異型鋼制橋梁構件的三維實體模型并進行結構檢測提供了一種高效的新技術方法[8-11]。本文針對大型鋼板組合梁的三維建模和結構檢測應用進行研究，以某高速公路橋梁工程為例，結合TLS技術，詳細闡述了基于三維激光點云數據的鋼板組合梁的結構檢測方法，并與傳統(tǒng)檢測方法進行了對比。

1 結構檢測方法及流程

基于三維激光掃描的鋼板組合梁結構檢測方法，主要是通過三維激光掃描直接將各種大型、復雜的鋼構件的三維數據完整采集到計算機中，進而快速重構出目標的三維模型，通過多維度切片與設計模型進行檢測對比得到構件的加工誤差。其主要流程如圖1所示。

圖1 鋼板組合梁三維建模和檢測流程

1.1 掃描分辨率和切片厚度預選

鋼結構加工場地環(huán)境復雜多變且通視困難，為了節(jié)約人力、提高作業(yè)效率，在點云數據的采集前需要做充足的準備工作，包括設計資料查閱與場地勘察，記錄項目現場的環(huán)境、地形、障礙物分布，根據工地實際情況布設掃描站點與標靶并進行預掃描，點云數據獲取的質量直接影響模型建模的精度和結構檢測精度，現場掃描原則[12]如下：

1)在保證掃描精度的情況下盡可能少設站。

2)保持標靶分布范圍廣。

3)相鄰掃描站間布設3個以上標靶球且標靶球不共線。

4)保證掃描目標物的關鍵部位的完整性。

為確定掃描分辨率和切片分辨率，對其進行計算。掃描儀與鋼板組合梁的掃描角度關系俯視圖如圖2所示。

圖2 掃描分辨率與鋼板組合梁幾何關系俯視圖

圖2中，θ為掃描儀最小分辨角度，D為掃描中心距離鋼板組合梁垂直距離，掃描距離為D時分辨率為d；設鋼板組合梁最遠端掃描點距掃描中心水平距離為H，旋轉角為α，則掃描水平距離H處分辨率為d′，該處在鋼板組合梁表面點云最小分辨距離即為dm。

由圖2可知，設掃描中心x值為xo，任意掃描點x值為xp，則鋼板組合梁表面最小分辨距離為

dm=H-Dtan(α-θ)

(1)

由式(1)即可確定鋼板梁任意位置點云切片的最小厚度dm。

由圖2可知，掃描水平距離H處分辨率d′有

(2)

將式(1)代入式(2)并整理得到

d′=Dsec2(α-θ)tanθ

(3)

由式(3)算出鋼板組合梁任意位置掃描分辨率d′，以此范圍即可確定掃描設置參數。

1.2 點云預處理及配準

掃描采集得到的原始點云數據量龐大，需要進行點云數據預處理，減少冗余的掃描噪聲點并精簡數據量。一般使用掃描儀自帶軟件處理原始點云數據，包括掃描點云的去噪、抽稀和裁剪、導出。

地面激光掃描通過有限視場、不同視角的多站掃描，才能完成整片鋼梁測量。統(tǒng)一同一掃描目標的多站點云坐標的工作，通常稱為點云配準[13]，點坐標轉換公式為

(4)

式中：(X,Y,Z)、(x,y,z)分別為兩空間點在坐標系O-XYZ、O-xyz中坐標；(XS,YS,ZS)為坐標平移參數；R為3階坐標旋轉矩陣，由旋轉參數(φ,ω,κ)確定，φ、ω、κ分別為空間點繞x、y、z軸的旋轉角。旋轉矩陣R展開為

為正交矩陣，可記為

(5)

由旋轉矩陣的展開式可推出角度參數φ、ω、κ，即

(6)

(7)

式中，RT=(I+S)-1(I-S)，式(7)展開后可以得到旋轉參數和平移參數，即

(8)

式中，A=a，B=b，C=c，D=XS+cYS+bZS，E=-cXS+YS+aZS，F=-bXS-aYS+ZS，D=XS+cYS+bZS，G=1+A2+B2+C2。由文獻[3]得到a、b、c的值，繼而由式(8)即可得到點云配準參數。

1.3 高精度截面獲取及結構檢測

目前點云三維建模方法成熟，并且在大型鋼梁建模中有所應用，如文獻[14]提出了用nurbs曲面重構方法進行大型鋼結構建模，且目前已有少量系統(tǒng)化的專業(yè)三維處理軟件，可針對不同特點的三維模型選用適合的模型處理軟件。因鋼板組合梁跨度過大且整體精度要求較高，由點云生成的單片鋼梁模型由百萬量級的三角形構成，數據量較大，一般三維模型數據處理軟件難以導入和運行，無法有效地進行結構檢測。為解決以上問題，選用Geomagic Wrap軟件進行大型鋼梁的三維建模與結構檢測，該軟件不僅可流暢處理大量點云和三維模型數據，并且可視化操作方便快捷，算法成熟，精度有保證。

點云數據經過Geomagic Wrap軟件中裁剪、封裝、著色、修補等操作，得到鋼板組合梁掃描模型，如圖3所示。

圖3 鋼板組合梁掃描模型

1.3.1 高精度截面獲取

在點云預處理后得到各個梁段點云及其三維模型，為分別獲取垂直于X、Y、Z方向的截面，需要先確定模型切片方位。根據項目特征，其中各個切片的方位由鋼梁主體結構確定，切片方向應與設計圖紙切片的形式一致。分別將鋼縱梁橫向、縱向和垂向切面記為橫向切面、縱向切面和垂向切面，鋼縱梁切片如圖4所示。

圖4 鋼縱梁切片

分別取鋼縱梁的腹板平面和底板平面的法向量i和j，作為縱切平面和橫切平面的法線方向，并由向量外積得到垂切平面的法向量k,即

k=i×j

(9)

再根據上述切片平面的法線方向和設計圖切片位置，最終確定模型切片的方位。

1.3.2 結構檢測方法

在確定了各個切片方位后，為獲得切片數據，先賦予切片厚度，形成切片夾層。當對橋梁點云或者橋梁模型進行切片時，提取該切片夾層內的點云或者模型數據并投影在切片平面上，點云切片與模型切片夾層示意圖如圖5所示。

圖5 點云切片與模型切片夾層示意圖

將切片夾層進行放大，放大圖中綠色直線為切片夾層兩個臨界面在水平方向的投影線；點云切片夾層放大圖中，白色點為橋梁點云數據，紅色點為點云數據在切片夾層一側平面的投影點；模型切片夾層放大圖中，藍色平面為橋梁模型平面，紅色線為模型平面在切片上的投影。依此得到的投影點/投影線即為橋梁的點云/模型截面。

然后根據設計圖尺寸檢測所在位置確定點云/模型切片所在位置，并在獲取截面后根據需求進行二維尺寸測量，如圖6所示。

圖6 結構檢測示意圖

最后將切片測量數據與設計切片數據相對比，以此作為檢測依據。

2 工程實例及分析

以某高速公路橋梁工程鋼板組合梁的鋼縱梁結構檢測為例，分別將本文方法與傳統(tǒng)尺寸測量和點云截面切片測量方法進行比較分析。

根據掃描行進路線記錄掃描目標梁段的編號，該工程現場掃描目標各梁橫向間距約2 m，縱向間距約3 m，單梁長8～10 m，寬1.2 m。各掃描目標分布密集，相鄰目標間距過窄，且目標物長度跨度較大，項目現場各縱梁間少量遮擋。使用FARO Focus S150三維激光掃描儀進行掃描，相鄰站連接標靶選用磁吸式標靶球，遵循現場掃描原則[15]，設站路線呈“S型”，掃描站布設設計圖如圖7所示。

圖7 掃描站布設設計示意圖

圖7所示為實際掃描時縱梁一種排列情形的俯視示意圖，其中黑色長方形為待測縱梁，紅色星形標志為掃描站。經過計算，掃描儀掃描精度選取1/4 分辨率雙倍質量掃描，經過計算得到此時在距掃描儀10 m處單倍掃描分辨率為6.1 mm，該分辨率滿足縱梁建模要求，單站掃描耗時3 min 8 s，共用時約25 min。其他縱梁分布方式與該分布方式相似，掃描站布設規(guī)律與分辨率設置值相同。

2.1 傳統(tǒng)尺寸測量方法與模型截面切片測量方法比較

2.1.1 傳統(tǒng)尺寸測量方法

如圖8所示，通過傳統(tǒng)尺寸測量方法進行梁高、頂板寬度、腹板位置測量。共測量縱梁頂板寬度L1，梁高L2，縱梁拼接處腹板位置L3和縱梁中部腹板位置L4，其中可以人工精確定位的特征點標注為黑色，無法精確定位的特征點標注為紅色，可以看出，人工測量時，僅L1的特征端點可以精確定位；而測量L2-L4時因為缺少特征點，通過人工在結構平面和結構邊緣選取測量端點，可靠性無法保證。

圖8 傳統(tǒng)方法梁高測量

2.1.2 模型截面切片測量方法

通過截面法獲得單例模型的橫縱截面，測量截面特征距離與弦高數據，將三維測量問題轉換為二維測量問題，如圖9所示。

圖9 高精度截面測量示意圖

通過該方法進行尺寸測量，避免了人工結構檢測時無法精確定位特征點的問題，減少了手動選取測量點位時的誤差。并且該方法可以檢測不通視或有阻擋的結構體尺寸，適應性更強。圖9(d)為縱梁水平切面，在測量縱梁長度后，可以進一步測量獲得縱梁的弦高，為方便表示，和設計圖中設計弦高進行線型比較得到圖10。

圖10 設計線型與測量線型比較

圖10中縱梁長度比例為1∶100，弦高比例不變，縱梁長度為實際測量長度，黑色圓弧為設計線型，紅色圓弧為測量線型。由圖可直觀得知該梁段線型與設計線型基本符合。

由上可知，對比于傳統(tǒng)尺寸測量方法，本文的截面切片測量方法將三維空間中的測量轉化為二維空間中測量，操作靈活的同時具有高可靠性，并且可以輕松獲取傳統(tǒng)方法難以測量的結構線型。

2.2 點云截面切片測量和本文模型截面切片測量方法比較

取同一例鋼縱梁的部分點云及其對應三維模型，并分別對兩者相同位置進行不同厚度的兩次切片實驗。其中三維模型和點云的切片厚度分別為0.01 m和0.001 m，結果如圖11所示。

圖11 點云和模型截面切片測量方法比較

圖11(b)顯示，點云0.01 m厚度切片噪點明顯，尺寸量測工作誤差較大；圖11(c)顯示，點云0.001 m厚度切片點數量稀少，無法進行尺寸量測工作；圖11(e)和圖11(f)顯示，三維模型0.01 m厚度和0.001 m厚度切片可以清晰地看出模型截面形狀，且截面形狀一致，尺寸測量可靠性較強。

由以上比較可知，以本文切片法檢測模型精度可靠性高于傳統(tǒng)測量方法和點云截面測量方法，并且可以輕松獲取傳統(tǒng)方法難以測量的結構線型，保證了鋼板組合梁結構尺寸測量的可靠性和全面性。

3 結論

給出一種基于三維激光掃描的鋼板組合梁結構檢測方法，步驟包括掃描分辨率推算、點云預處理及配準、高精度截面獲取及結構檢測。以某高速公路橋梁工程鋼縱梁結構檢測為例，對比了本文方法與傳統(tǒng)尺寸測量和點云截面切片測量方法，并進行分析，得到以下結論：

1)基于三維激光掃描的鋼板組合梁結構檢測方法，依條件計算得到最小有效點云切片厚度并選設掃描分辨率，在點云數據預處理后以同名特征點進行點云配準；以縱梁關鍵部位作為方位依據獲取高精度截面方位，并以此進行結構檢測。相較于傳統(tǒng)尺寸測量方法，截面切片測量方法將三維空間中的測量轉化為二維空間中測量，操作靈活的同時具有高可靠性，并且可以輕松獲取傳統(tǒng)方法難以測量的結構線型。

2)相較于點云數據，三維模型數據在截面切片測量方法可靠性更高，測量結果更加穩(wěn)定。

3)相較于傳統(tǒng)尺寸測量方法，基于三維激光掃描的鋼板組合梁結構檢測方法實施方便，減少外業(yè)測量工時，可以大幅縮短工期，降低成本，為鋼板組合梁的結構檢測提供了新的解決思路，有良好的應用價值。

4)本文方法檢測精度仍有提升空間，后續(xù)將進一步完善檢測精度評定方法并提高檢測精度。