點云在老舊倉庫結構檢測中的應用研究

沈恒旭

(天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300452)

1 引 言

點云技術作為國際上新發展起來的高新技術，以其采樣點速率高、定位精度高、無接觸測量等獨特優點，已被廣泛應用于考古測量、地形測景、礦區土方開挖斷面和體積測量、歷史古跡的調查與恢復以及特殊動畫效果的測量等[1，2]。以往結構檢測中的結構檢測往往借助于百分表、水準儀和鉛錘等檢測設備檢測結構體的特定點或者局部區域的變化，并據此對結構整體變形做出相應評判，這種檢測方式以點代面、以局部代整體，所得結果較為抽象，不能全面、直觀地反映結構體的變形情況。點云技術通過三維激光掃描[3]、點云數據去噪和配準[4]、特征對比分析[5]等技術能夠獲得結構體全面的、立體的、直觀的結構變形情況，較以往的檢測方式有質的提升。

點云技術自問世伊始便受到了國內外眾多專家的關注，隨著該技術逐漸成熟，該技術的應用領域也逐漸得到推廣。在橋梁變形監測[6]、大型鋼結構建筑物健康監測[7]，大壩變形監測[8]，高層建筑物健康檢測[9]，隧道變形監測[10]等方面點云技術的應用取得了一定的成就。本文以點云技術為手段，將該技術應用到結構體的變形檢測中，通過采集數據處理獲得結構體的整體變化情況。

2 結構檢測原理及檢測技術路線

點云技術在結構體檢測中的應用過程如圖1所示，其中重要的部分主要是數據獲取、數據處理和結果分析三個部分。

圖1 結構體檢測技術路線

結合結構檢測技術路線圖，在數據獲取、數據處理和結果分析三個方面對點云技術在結構檢測中的應用原理進行闡述。

2.1 點云數據獲取

在數據獲取過程中，主要使用檢測設備MS60三維激光掃描儀，MS60主要由測距模塊、多角鏡面轉輪、驅動馬達、角圓碼盤以及一些馬達驅動電子器件組成。其主要技術參數如表1所示

LeicaMS60全站掃描儀主要技術參數 表1

在能夠較好觀測結構體檢測面的位置設置模擬觀測基站，在掃描儀的屏幕中選取合適的掃描范圍，設置相應的掃描間隔和掃描距離，通過儀器自動掃描完成數據采集。

在數據處理過程中，點云數據去噪和點云數據配準的優劣直接決定后期結果分析的準確性。

2.2 點云數據去噪

點云數據去噪首先通過獲取的點云數據進行平面擬合，以各點至擬合平面的距離為評判標準，刪除超出評判準則的點，以此來實現點云數據去噪。點云數據平面擬合去噪主要包括最小二乘法[11]、特征值法[12]以及二維正交整體最小二乘方法[13]等。本文運用三維正交整體最小二乘法對采集得到的點云數據進行去噪。

首先建立點云數據的三維模型：

(1)

式中，a、b、c為擬合平面待求參數；

構造矩陣M，計算MTM。M形式為：

(2)

對MTM進行特征值分解，a、b、c取值即為所得特征值中最小值所對應的特征向量。

計算點云數據到擬合平面的距離：

(3)

(4)

判斷di與δ的關系，當di>δ，則刪除di對應的坐標點，如果di≤δ，則保留對應坐標點。

2.3 點云數據配準

點云數據配準算法中基于歐式距離的ICP(iterative closest points)算法[14]和基于柵格化的NDT(normal distribution transform)算法[15]是兩種傳統的算法，由于3DICP和NDT算法都需要對點云數據進行多次的迭代，導致運算時間較長，效率較低[16]。基于此為了提高運算效率縮短運算時長，本文運用基于霍夫變換(Hough transform)[17]方法進行點云平面特征的提取。

霍夫變換通過公式：

(11)

(12)

其中，θ∈[0，2π)為該法向量與x軸的夾角，φ∈[0，π]為該法向量與z軸的夾角。

通過迭代運算，可以求出參數空間中的極值點，即為點云中的平面。

經過點云數據去噪和配準后，根據點云數據中對應結構體的固定點建立模擬平面，將點云數據與模擬平面進行對比分析，得到以點云中點到平面的距離為基礎的平面彩色分布圖，根據點云的顏色變化即可判斷結構體檢測平面的變形情況，選取點云中的點也可定量分析局部區域的變形情況。

3 老舊倉庫結構梁及墻面垂直度檢測應用分析

本文涉及的老舊倉庫始建于20世紀70、80年代，梁主要為混凝土結構梁，墻面主要為磚混結構。由于建造年代久遠，混凝土結構梁受房頂壓力、梁身自重等影響出現一定程度的變形。根據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》GB 50204-2015中的相關規定，混凝土結構梁的變形范圍為 ±10 mm。混凝土結構梁長 23.8 m，高 7.5 m。由于結構梁位于倉庫頂部，不存在可供攀爬的設施，無法在結構梁上安裝測量設備。結合現場情況，使用MS60全站掃描儀對結構梁進行掃描，獲得相應點云數據如圖2所示。

圖2 混凝土結構梁點云圖

對該點云數據運用三維正交整體最小二乘法進行去噪處理，并運用霍夫變換法對該點云數據進行配準，得到圖3所示的結構梁底面點云數據。

圖3 混凝土梁底面點云圖

由于混凝土結構梁的兩端各有混凝土柱作為支撐，據此可以以混凝土結構梁兩端為相對不變的定點建立模擬平面，如圖4所示。

圖4 混凝土梁底面模擬平面圖

將模擬平面與底面點云數據進行對比檢測，以點到平面的距離為基礎對點云數據進行著色，可得如圖5所示混凝土梁底面彩色圖。

圖5 混凝土梁底面對比彩色圖

如圖5所示，圖例顏色由深藍色逐漸過渡到紅色，其中淺藍色至深藍色代表負值，表示點云中的點位于模擬平面以下；淺綠色至紅色為正值，其越接近紅色代表值越大，表示點云中的點位于模擬平面以上。通過彩色圖可以清晰地看出該混凝土結構梁存在輕微的變形，變形主要集中在結構梁的中部和靠近兩端的位置，其中中部主要為下凹變形，兩端主要為上凸變形。

對圖5所示平面進行定量分析可得如圖6所示特征點圖及表2特征點偏差表。

特征點偏差表 表2

通過圖6和表2，可以看出該混凝土結構梁的最大下凹變形為 6 mm，最大上凸變形為 3 mm，其中最大上凸變形和最大下凹變形均出現在梁的北端。

4 結論及建議

通過上述討論分析，點云技術以其測量距離遠、采樣點速率高、點定位精度高等優勢使得結構檢測相對于以往的檢測方法不僅可以提高檢測效率而且能夠客觀全面地反映被檢測結構體的整體變形，避免了只測量局部而導致的以點代面、以局部代整體的情況。

雖然點云技術在結構檢測行業的應用具有一定的優勢，但是在數據采集方面，數據質量要求較高；在數據處理方面，點云數據的配準、去噪及模擬對比平面的選取等技術還需要進一步的研究。