三維立體激光掃描技術(shù)在大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

三維激光測(cè)量掃描圖像技術(shù)是近年出現(xiàn)的一項(xiàng)工業(yè)高新技術(shù)，該技術(shù)采用高速三維激光技術(shù)掃描圖像測(cè)量的多種方法，可大面積地快速準(zhǔn)確獲取被動(dòng)檢測(cè)測(cè)量對(duì)象表面的空間三維坐標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，大量地主動(dòng)采集被測(cè)空間立體的點(diǎn)位坐標(biāo)信息，快速準(zhǔn)確獲得被動(dòng)檢測(cè)測(cè)量對(duì)象物體表面每個(gè)不同采樣點(diǎn)上的空間立體點(diǎn)位坐標(biāo)。1、原理解析三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)是使用設(shè)備內(nèi)部的一個(gè)激光發(fā)射脈沖作發(fā)射器，向一個(gè)被檢目標(biāo)發(fā)射一束三維激光脈沖，通過(guò)反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射器放出的激光發(fā)射脈沖自動(dòng)掃描相關(guān)目標(biāo)，信號(hào)源的接收器自動(dòng)接收激光反射器發(fā)回的激光發(fā)射脈沖，自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄相關(guān)脈沖數(shù)據(jù)，包括每個(gè)點(diǎn)的激光發(fā)射脈沖從目標(biāo)發(fā)射地點(diǎn)到被檢探測(cè)物體的表面，通過(guò)其返回掃描設(shè)備所需的時(shí)間獲取目標(biāo)物體到激光掃描設(shè)備中心的時(shí)間距離為s。激光掃描脈沖控制處理模塊對(duì)每個(gè)云點(diǎn)激光掃描脈沖的一個(gè)水平橫向掃描角度為α和一個(gè)豎向水平掃描角θ分別進(jìn)行自動(dòng)控制，云點(diǎn)經(jīng)后臺(tái)處理軟件自動(dòng)進(jìn)行解析運(yùn)算，得出掃描目標(biāo)的相對(duì)三維空間坐標(biāo)，即一個(gè)云點(diǎn)經(jīng)多次轉(zhuǎn)換后在絕對(duì)三維坐標(biāo)系中表現(xiàn)為其在三維空間中位置的絕對(duì)坐標(biāo)或云點(diǎn)模型（圖1）。圖1三維激光掃描原理示意三維激光掃描作業(yè)主要依據(jù)以下規(guī)范：GB50300—2013《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、CHZ3017—2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》、GB50017—2014《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50026—2007《工程測(cè)量規(guī)范》。2、觀測(cè)結(jié)果及分析國(guó)家會(huì)議中心二期主體結(jié)構(gòu)地上5層，高55?m，采用平板式筏板建筑基礎(chǔ)?！?.000標(biāo)高相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高55.200?m，室外地坪標(biāo)高相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高55.800?m。使用天寶-TX8高精度三維激光掃描儀，其最大激光掃描半徑為500?m，測(cè)距掃描精度最高為2?mm，最快掃描測(cè)速為97.6萬(wàn)點(diǎn)/s，可快速利用全方位非金屬接觸對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)及墻體表面材料進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)精度激光掃描。為及時(shí)獲得完整、全面、連續(xù)、關(guān)聯(lián)的目標(biāo)點(diǎn)云對(duì)象數(shù)據(jù)，需對(duì)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)云對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行一次多角度、多方位的數(shù)據(jù)掃描。根據(jù)實(shí)際使用情況布設(shè)多個(gè)站點(diǎn)，需確保每?jī)蓚€(gè)站點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行拼接的單個(gè)站點(diǎn)間均有至少40%的重合利用區(qū)域。在站點(diǎn)與其他目標(biāo)掃描對(duì)象間，應(yīng)盡量避免任何雜物直接遮擋，盡可能保持視野開(kāi)闊并保持掃描角度良好，還應(yīng)盡量避免外線光源等其他自然因素對(duì)站點(diǎn)掃描的不良影響。本次掃描試驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)整體建筑長(zhǎng)15?m，寬5?m，內(nèi)部有3排方形鋼柱將整體建筑分為4部分，試驗(yàn)采用8次掃描設(shè)站，在建筑長(zhǎng)度大致為10?m寬處作為建筑中點(diǎn)，在中點(diǎn)左右兩側(cè)5?m寬處依次設(shè)站對(duì)該建筑整體進(jìn)行一次全方位掃描。應(yīng)用Scene點(diǎn)云拼接處理得到一張鋼結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)圖云，在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接處理過(guò)程中，由于在一個(gè)視點(diǎn)的圖像掃描中，各站點(diǎn)獲取的三維點(diǎn)云拼接數(shù)據(jù)都會(huì)存在一定的拼接偏差，若將其全部拼接在一起可能會(huì)直接造成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的巨大誤差，而采用Scene軟件的計(jì)算點(diǎn)云高度拼接計(jì)算模塊，可自動(dòng)分析計(jì)算點(diǎn)云拼接時(shí)各站所可能產(chǎn)生的誤差（圖2）。圖2三維激光掃描實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)模型輸出的過(guò)程使用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理創(chuàng)建交付成果。在Cyclone中進(jìn)行點(diǎn)云的導(dǎo)入、拼接、去噪、導(dǎo)出，應(yīng)用CloudWorxforAutoCAD點(diǎn)云應(yīng)用擴(kuò)展軟件，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型的調(diào)用和輸出。圖3為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬安裝實(shí)例。（a）

（b）（c）

（d）（e）

（f）（g）

（h）（i）圖3使用三維激光掃描進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)模擬安裝的過(guò)程（a）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)位置確認(rèn)掃描位置；（b）將掃描儀放置選點(diǎn)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；（c）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中完成自動(dòng)拼接；（d）點(diǎn)云去噪優(yōu)化，得到鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云模型；（e）將預(yù)制構(gòu)件點(diǎn)云導(dǎo)入Cyclone3DR；（f）通過(guò)清除/分離功能對(duì)掃描構(gòu)件進(jìn)行去噪；（g）通過(guò)匹配功能識(shí)別構(gòu)件對(duì)接點(diǎn)；（h）依次對(duì)對(duì)接面的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)選?。唬╥）完成對(duì)接，得到拼接成果通過(guò)分析拼接精度報(bào)告，可看出在所選的所有點(diǎn)中，最大3D均差為5?mm，最小僅0.02?mm，平均小于2?mm，可滿足鋼結(jié)構(gòu)的對(duì)接精度要求。點(diǎn)云掃描結(jié)果如圖4所示。圖4掃描結(jié)果（計(jì)算機(jī)截圖）3、結(jié)束語(yǔ)采用三維激光掃描儀對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行建筑形變建模測(cè)量，通過(guò)對(duì)鋼梁、鋼柱變形進(jìn)行建模測(cè)量分析和變形精度控制分析，證明將三維激光變形掃描檢測(cè)技術(shù)用于