高瑞金

江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校 江蘇 南京 211100

本項(xiàng)目主要介紹采用三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在地鐵竣工檢測(cè)工作中的新技術(shù)方法，隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，逐漸開始在施工竣工檢測(cè)中得到很好的應(yīng)用，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試可得出三維激光掃描技術(shù)在高精度數(shù)據(jù)獲取和檢核對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙過程中具有良好效果，不僅僅區(qū)域數(shù)據(jù)齊全性問題[1]，而且具有較高的作業(yè)效率和數(shù)據(jù)精確度[2-4]。本文主要通過對(duì)三維激光掃描的外業(yè)作業(yè)流程、處理方法、對(duì)比方法及精度可用性，通過實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)說明，總結(jié)此技術(shù)在此方面的應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1 三維激光掃描原理與方法

1.1 三維激光掃描儀基本原理

三維激光掃描儀的工作過程，實(shí)際上就是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程，它通過具有一定分辨率的空間點(diǎn)（坐標(biāo)x,y,z，其坐標(biāo)系是一個(gè)與掃描儀設(shè)置位置和掃描姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系）所組成的點(diǎn)云圖來表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。三維激光掃描技術(shù)是將實(shí)體的三維復(fù)雜信息通過激光的捕獲形成帶有屬性信息的實(shí)體三維點(diǎn)云模型，通過高速激光的掃描測(cè)量，獲取目標(biāo)的點(diǎn)、線、面、體、空間等三維實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度三維逆向建模，又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)[5-7]。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

為了能夠得到好的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理通常包括各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去噪和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作，數(shù)據(jù)拼接通過有多種方法，無目標(biāo)拼接、有目標(biāo)拼接以及采集過程實(shí)時(shí)自動(dòng)處理拼接。

2 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理

2.1 研究項(xiàng)目概況

通過跨行業(yè)的技術(shù)融合將BIM信息化模型與逆向工程結(jié)合，利用精度達(dá)2mm的工業(yè)級(jí)Trimble X7三維激光掃描儀，對(duì)實(shí)際地鐵站場(chǎng)景掃描，通過對(duì)掃描模型的測(cè)量實(shí)現(xiàn)全方位測(cè)量；在虛擬環(huán)境下仿真模擬實(shí)際檢測(cè)過程，通過掃描模型與理論模型擬合對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)單元整體的數(shù)字預(yù)拼裝。圖1為整體技術(shù)流程。

圖1 整體技術(shù)流程

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先，工件的大小、位置、形狀等情況，布設(shè)好各測(cè)站位置，規(guī)劃掃描站數(shù)和需要測(cè)量的特征數(shù)據(jù)，確保獲取的數(shù)據(jù)齊全、完整和可用。測(cè)站位置的布設(shè)要在地鐵站內(nèi)的多個(gè)角度分別架設(shè)掃描站，并且在遠(yuǎn)處盡量高的位置架設(shè)確保工件頂部可以獲取完整數(shù)據(jù)，相臨測(cè)站之間要具有一定重復(fù)性，可以在后期完成數(shù)據(jù)的整體拼接[8-9]。圖2為Trimble X7三維激光掃描儀現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況。

圖2 實(shí)際地鐵站數(shù)據(jù)采集

通過利用專業(yè)的三維數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行后處理，將整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、去噪、分割、抽吸、格式轉(zhuǎn)換最終輸出到檢測(cè)軟件polyworks中。

通過圖3可知典型點(diǎn)云間隔分布在1-3mm左右，這種點(diǎn)間距主要依據(jù)掃描儀的擋位設(shè)定和掃描儀距離被測(cè)物體的距離，距離遠(yuǎn)近和擋位高低都會(huì)不同程度影像點(diǎn)云的整體密度和點(diǎn)間距。

圖3 平均點(diǎn)間距量取

圖4 整體點(diǎn)云展示

圖5 設(shè)計(jì)模型與實(shí)際點(diǎn)云模型對(duì)比檢測(cè)

3 研究成果分析

3.1 點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)模型擬合

數(shù)字化檢測(cè)就是利用原始設(shè)計(jì)模型與掃描獲取到的三維點(diǎn)云模型進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，在對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要將兩種數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到檢測(cè)軟件中，由于兩種屬于不同類型數(shù)據(jù)，無法完全拼接，利用特征點(diǎn)選區(qū)的方法分別在三維點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)上和設(shè)計(jì)模型上分別點(diǎn)同名點(diǎn)坐標(biāo)，軟件會(huì)根據(jù)所選取的點(diǎn)特征信息進(jìn)行自動(dòng)擬合對(duì)齊[10-12]。

3.2 點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)模型對(duì)比檢測(cè)

預(yù)對(duì)齊后軟件會(huì)自動(dòng)作迭代計(jì)算精細(xì)對(duì)齊兩個(gè)數(shù)據(jù)，并且可以通過設(shè)置最大距離，采樣率等參數(shù)將對(duì)齊精度控制在理想范圍。根據(jù)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向以及數(shù)據(jù)偏差調(diào)整的工藝裝備的位置，直到測(cè)量數(shù)據(jù)在理論數(shù)據(jù)的尺寸公差范圍內(nèi)，進(jìn)行外形尺寸檢測(cè)以及質(zhì)量控制，這種數(shù)字化測(cè)量方法使工作效率與檢測(cè)精度大幅度提高[13]。

使用最佳擬合對(duì)齊數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)彩圖，具體的公差范圍，色度帶都可以自由定制，實(shí)現(xiàn)多種檢測(cè)成果。這種檢測(cè)方式可以將要檢測(cè)的數(shù)據(jù)的單點(diǎn)位置、周圍面積區(qū)域、大型沖壓工件的曲面輪廓進(jìn)行有效的檢測(cè),并且通過檢測(cè)可以對(duì)構(gòu)件部分原材料需預(yù)設(shè)反變形精度得到有效的控制。如圖所示。

此時(shí)可以對(duì)選定的檢測(cè)公共點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量，通過對(duì)比原始數(shù)字模型和虛擬三維點(diǎn)云模型，分析兩者的偏差情況，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建注釋，可以顯示任意一點(diǎn)的誤差數(shù)值，并且可以自定義字段設(shè)置注釋內(nèi)容。如對(duì)工件定位角點(diǎn)、拐點(diǎn)、特征點(diǎn)、定位孔進(jìn)行自定義標(biāo)注檢測(cè)[14-15]。

創(chuàng)建數(shù)據(jù)餅圖，查看誤差分布范圍，可以合理評(píng)估整體施工質(zhì)量。

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

從圖6可以直觀分析出，該工件的質(zhì)量整體誤差，其中因兩種模型的細(xì)節(jié)存在微結(jié)構(gòu)差異，將標(biāo)準(zhǔn)參考值設(shè)定為0，整體質(zhì)量誤差分為-50mm到標(biāo)準(zhǔn)值0，0到正向誤差50mm，其中誤差中主要集中在30mm以內(nèi)，并且占整體的80%，由此可以確定該工件是否符合理論設(shè)計(jì)要求[16-17]。

圖6 檢測(cè)參數(shù)設(shè)定

圖7 三維坐標(biāo)檢測(cè)彩圖

圖8 誤差統(tǒng)計(jì)餅狀圖

圖9 特征結(jié)構(gòu)檢測(cè)點(diǎn)三維誤差統(tǒng)計(jì)

圖10 整體檢測(cè)信息統(tǒng)計(jì)

4 總結(jié)

逆向檢測(cè)工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)開拓性、創(chuàng)新性、實(shí)用性和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集及后續(xù)的處理是逆向工程中至關(guān)重要的一步。本文以實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用為例，闡述了利用設(shè)計(jì)模型對(duì)實(shí)際掃描的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比檢測(cè)的技術(shù)方案和基本原理，并對(duì)施工后的土建建筑設(shè)施質(zhì)量精度做了詳細(xì)的分析和論述，幫助竣工質(zhì)檢人員快速、準(zhǔn)確的把控生產(chǎn)質(zhì)量，大大提高整體地鐵項(xiàng)目的施工和質(zhì)檢質(zhì)量。地鐵施工檢測(cè)方向研究主要是通過三維激光掃描技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)，自動(dòng)生成檢測(cè)數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)與理論模型數(shù)據(jù)擬合分析，軟件自動(dòng)進(jìn)行誤差計(jì)算。此種虛擬檢測(cè)技術(shù)方法與傳統(tǒng)人工全站儀或皮尺量測(cè)，具有較大的優(yōu)勢(shì)，尤其在復(fù)雜空間建筑結(jié)構(gòu)尤其復(fù)雜的土建方面，采用模擬預(yù)拼裝技術(shù)可以節(jié)省大量人工、措施及設(shè)備投入，且不占用預(yù)拼裝場(chǎng)地，對(duì)提高鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝質(zhì)量、效率起到質(zhì)的改變，是工廠逆向工程中最為至關(guān)重要的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。