實物逆向工程中全站掃描儀精度分析

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實物逆向工程中全站掃描儀精度分析

鄧念武，李萌

(武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072)

在大型鋼結構建筑物施工過程中，為了加快施工進度，越來越多地采用預制一定尺寸的鋼結構，然后在現場進行吊裝焊接等工序完成施工過程。為了監控鋼構在各種工況下的幾何形狀，可以利用儀器對鋼構進行掃描，然后對三維點云進行過濾、簡化、拼接和建模等，檢查構件形狀和尺寸是否滿足設計要求，用以指導施工，提高工作效率。由于鋼結構在制造、吊裝、焊接和拉索張拉等工況下對構件的幾何形態有嚴格的要求，這給鋼構逆向工程也提出了較高的精度要求。

MS50是集高精度智能全站儀、高精度點云掃描技術、圖像測量技術及強大的內部處理程序于一體的全站掃描儀。一方面，作為高精度智能全站儀，其一方向一測回水平角和垂直角中誤差均小于1″，有棱鏡時測距精度達到1 mm+1.5×10-6D，無棱鏡測距精度達到2 mm+2×10-6D，并且具有自動驅動馬達，可以自動識別、跟蹤和鎖定目標。另一方面，作為高精度掃描儀，MS50可以提供4種掃描模式，在測量目標處于陰影下，陰天、柯達灰白板(90%反射率)時的主要掃描指標見表1。雖然其掃描速度沒有三維激光掃描儀快，但在掃描距離、測量精度上有非常大的優勢，尤其是其測角精度有較大的提高，能獲得高精度和高密度的三維點云數據。由于MS50的點云掃描是基于全站儀的掃描模式，故點云數據的拼接方式比較靈活，可以采用經典的三維激光掃描儀的拼接方式，也可以采用具有統一坐標系統的經典測繪方式拼接。

表1　MS50全站掃描儀的掃描技術指標

為了滿足鋼構逆向工程的需要，必須對MS50掃描全站儀采集的數據和建立的模型進行精度分析，判斷其是否滿足工程需求。平面重構精度分析和斷面重構后幾何尺寸精度分析是鋼構逆向工程中的重要環節。

一、方案設計及數據采集

在大型鋼結構中，為了建立其表面的幾何現狀，判斷其是否滿足工程需要，必須對掃描精度和建模精度進行分析。平面重構精度和斷面尺寸重構精度是否滿足要求是鋼構逆向工程成敗的關鍵。

1. 平面重構精度分析實測方案

為了研究全站掃描儀、被掃描物體、掃描入射角、掃描距離等對平面重構的影響，在掃描如圖1所示的大型鋼構平面側時，分別在鋼構右前方4、12、20 m的位置安置全站掃描儀，對如圖2所示指定區域1～6號區域進行掃描。根據鋼構大小，確定每塊區域為1.0 m×0.8 m。

圖1　掃描鋼構實物　　　圖2　掃描區域點云示意圖

2. 斷面重構后幾何尺寸精度分析實測方案

在鋼構實物逆向工程中，需要模型能夠準確反映鋼構的斷面尺寸。為了達到所需要的效果，對圖3所示的斷面在左前方和右前方分別安置儀器進行掃描，并利用后方交會的方法建立統一坐標系統，以方便后續的點云拼接。

圖3　鋼構小尺寸斷面實物

二、精度分析

影響單點測量數據精度的主要因素有：儀器本身的測量精度，被測物體的材料、粗糙度、顏色、光學性質及表面形狀等，掃描距離，掃描入射角。影響模型重構精度的因素主要有：單點測量精度、掃描點間距、數據拼接時參考點的誤差、拼接誤差、數據處理時的濾波、簡化引起的誤差，另外坐標轉換也會帶來一定的精度損失。

1. 平面重構實測精度分析

將掃描數據導入專業軟件進行處理，通過三維坐標轉換，將點云通過參數化平面重構方法擬合為平面，對點云與平面間距離誤差進行分析統計。圖4—圖6分別為全站儀與鋼構距離為4、12、20 m時的誤差百分比柱狀圖。同時在去噪后利用最小二乘理論計算中誤差。表2為去噪后對應的中誤差統計表。

圖4　全站儀與鋼構距離為4 m時誤差百分比柱狀圖

圖5　全站儀與鋼構距離為12 m時誤差百分比柱狀圖

圖6　全站儀與鋼構距離為20 m時誤差百分比柱狀圖

mm

通過柱狀圖可知，測量誤差有明顯的統計特征，符合正態分布的規律。表2表明儀器與鋼構距離為4 m時中誤差較大，最大為2.4 mm；儀器與鋼構距離為12 m時中誤差最小，在1.2 mm以內。當儀器與鋼構距離為20 m時，中誤差有增大的趨勢。

入射角對構件掃描精度有一定的影響，在全站掃描儀與被測構件距離較近(如表1中的距離為4 m)時，入射角較小時，精度明顯降低。在距離為4 m時的連續兩次試驗都表現出相同的規律。

實踐表明，如果測量距離和入射角選擇恰當，平面重構的中誤差會在1.2 mm以下，能滿足鋼構逆向工程中平面擬合的需要。

2. 斷面重構幾何尺寸精度分析

在鋼構重構時，為了能夠擬合到兩個面相交的直線，一方面將相鄰兩個面的數據同時采集，另一方面選取較小的采集點間距。本試驗中選取的最大點間距為2 mm。對如圖3所示的10個構件單元均進行了兩次掃描(一次左前方、一次右前方)， 并采用后方交會方法建立統一坐標系統，進行了高精度的拼接，通過點云過濾去噪、數據精簡、平面和直線生成、距離量取等處理，共量取了150個斷面尺寸。將實測數據與斷面模型尺寸數據進行比較，得到的尺寸差值如圖7所示。通過最小二乘理論計算得到斷面尺寸的中誤差為0.7 mm。

圖7　模型重構后距離與實測距離差值

三、結束語

MS50全站掃描儀在測量目標處于陰影下，陰天、柯達灰白板(90%反射率)時，50 m測量范圍內掃描測量的點位誤差在1 mm以內。在儀器誤差、外界環境等的綜合影響下，經過坐標轉換，平面重構精度可以達到1.2 mm，滿足大型鋼構平面重構的精度要求。

在進行斷面重構后斷面尺寸長度精度分析時，通過數據采集、濾波、嚴密拼接、坐標轉換，模型重構，模型和實物斷面尺寸量取分析，得到在掃描間距2 mm時，中誤差在0.7 mm以內，完全可以滿足鋼構斷面重構的要求。

MS50掃描全站儀在鋼構逆向工程中可以為檢驗鋼構實物的誤差、鋼構吊裝、鋼構焊接、拉索張拉等工況提供高精度的模型，為大型鋼構的順利施工提供高質量的幾何重構模型。

(本專欄由徠卡測量系統和本刊編輯部共同主辦)

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