基于線特征匹配的鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝方法

蔣海里 陳柳花 程效軍 朱明芳 李金濤

(1. 上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司, 上海 200433; 2. 同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院, 上海 200092;3. 自然資源部現(xiàn)代工程測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092)

0 引言

作為一種新興的建筑結(jié)構(gòu)形式,鋼結(jié)構(gòu)相比于混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、施工周期短、低碳環(huán)保等特點(diǎn),因此鋼結(jié)構(gòu)越來(lái)越多地被應(yīng)用于超高層建筑、機(jī)場(chǎng)、體育館、大型橋梁等項(xiàng)目中[1-2]。大型鋼結(jié)構(gòu)一般采用分段制造現(xiàn)場(chǎng)拼接的方式。為控制鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量、保證各部分構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)能順利實(shí)現(xiàn)拼裝,分段制造的鋼結(jié)構(gòu)在出廠前需要進(jìn)行模擬預(yù)拼裝。

三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維點(diǎn)云模型,具有速度快、精度高、非接觸、全天候等特點(diǎn),在大型鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝領(lǐng)域得到了許多工程界學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]和[4]通過(guò)布設(shè)公共標(biāo)靶,從掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取標(biāo)靶坐標(biāo)并人工指定對(duì)應(yīng)匹配點(diǎn)對(duì),實(shí)現(xiàn)兩構(gòu)件點(diǎn)云的模擬預(yù)拼裝,該方法耗時(shí)耗力,且當(dāng)兩構(gòu)件相距較遠(yuǎn)時(shí)公共靶標(biāo)難以滿足兩測(cè)站共視條件,靶標(biāo)難以布設(shè);文獻(xiàn)[5]擬合點(diǎn)云中的螺栓、構(gòu)件圓心等特征點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件點(diǎn)云的模擬預(yù)拼裝,該方法自動(dòng)化程度低,精度較差;文獻(xiàn)[6]在點(diǎn)云模型中人工提取關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的模擬預(yù)拼裝,該方法提取的特征點(diǎn)精度低,拼接誤差大;文獻(xiàn)[7]采用點(diǎn)云與BIM模型對(duì)齊的方式將多段構(gòu)件分別與整體設(shè)計(jì)模型對(duì)齊后，分析相鄰構(gòu)件間的拼裝誤差,從而實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)拼裝。現(xiàn)有的利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝的方法主要為基于特征點(diǎn)匹配的方式,存在自動(dòng)化程度低、工作量大且精度差的問(wèn)題。

為此本文提出了一種基于線特征匹配的鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝方法,該方法首先提取待拼接處兩構(gòu)件的特征線,然后通過(guò)線特征自動(dòng)匹配的方式實(shí)現(xiàn)兩構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝。

1 模擬預(yù)拼裝算法

本文提出的基于線特征匹配的鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝方法主要包括特征線提取和線特征匹配兩個(gè)過(guò)程,算法流程如圖1所示。通過(guò)將提取的線特征進(jìn)行自動(dòng)匹配實(shí)現(xiàn)兩構(gòu)建點(diǎn)云的模擬預(yù)拼裝。

圖1 算法流程圖

1.1 指定待拼接位置

為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝,針對(duì)配準(zhǔn)后的兩待拼裝構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù),首先需要人工指定要進(jìn)行拼接的兩構(gòu)件位置。該過(guò)程通過(guò)CloudCompare軟件中點(diǎn)云的移動(dòng)操作實(shí)現(xiàn),在軟件中通過(guò)簡(jiǎn)單的平移操作將某構(gòu)件待拼接處大致靠近另一構(gòu)件的待拼接處,指定用兩構(gòu)件的該處進(jìn)行拼接。

1.2 切片生成

本文采取沿構(gòu)件拼接處特征線方向進(jìn)行切片的方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的局部加密,進(jìn)而從切片中提取該方向上的線特征點(diǎn)。為有效提取線特征點(diǎn),首先需要確定切片方向。大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼接處特征線主要沿三個(gè)相互垂直的方向,因此需要確定三個(gè)相互垂直的方向并將其作為切片方向。在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)對(duì)三維激光掃描儀進(jìn)行的整平操作可使點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的Z坐標(biāo)軸垂直于地面,大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件放置時(shí)拼接面通常與地面垂直,因此Z坐標(biāo)軸為切片方向,將其作為第一切片方向(圖2中S1),與構(gòu)件主軸線一致垂直于拼接面的方向?yàn)榱硪磺衅较颉榇_定構(gòu)件主軸線方向,將構(gòu)件點(diǎn)云投影到X、Y平面,構(gòu)件的主軸線方向在X、Y平面內(nèi)可采用主成分分析法(Principal Component Analysis， PCA)[8]計(jì)算,對(duì)所有的投影點(diǎn)構(gòu)造一協(xié)方差矩陣D

圖2 切片方向

(1)

矩陣D的最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量即為構(gòu)件的主軸線方向,將其作為第二切片方向(圖2中S2)。第三切片方向與第一、第二切片方向垂直正交,構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系(圖2中S3)。

對(duì)構(gòu)件點(diǎn)云分別沿第一、第二、第三3個(gè)切片方向進(jìn)行切片,即采用一組與切片方向相垂直的平行平面對(duì)構(gòu)件點(diǎn)云進(jìn)行分割,并將構(gòu)建的三維點(diǎn)云投影到對(duì)應(yīng)的二維分割平面上。設(shè)原始構(gòu)建點(diǎn)云的坐標(biāo)范圍為(Xmin,Ymin,Zmin)～(Xmax,Ymax,Zmax),以沿第一切片方向S1進(jìn)行切片為例,此時(shí)平面點(diǎn)集由一組坐標(biāo)序列Zm構(gòu)成

Zm=Zmin+m·Zthick

(2)

其中,m=0,1,…,|h/Zthick|;m表示切片層數(shù);h=Zmax-Zmin;Zthick表示切片厚度;|·|表示向上取整函數(shù)。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼接面的復(fù)雜程度和掃描點(diǎn)的疏密程度,Zthick取為3～5倍的平均點(diǎn)間距。

1.3 線特征點(diǎn)提取

橋梁構(gòu)件經(jīng)1.2中的方式沿線特征的三個(gè)切片方向分別進(jìn)行切片后,橋梁構(gòu)件的線特征點(diǎn)在切片上均表現(xiàn)為端點(diǎn)或拐角點(diǎn)。由于原始點(diǎn)云在掃描時(shí)具有一定的掃描密度和掃描誤差,此處的端點(diǎn)和拐角點(diǎn)均指以該點(diǎn)為中心,以r為半徑的近鄰域內(nèi)點(diǎn)的集合,根據(jù)原始點(diǎn)云掃描密度的不同,r可取為1～5 mm。圖3為某個(gè)沿第一切片方向S1的切片,切片上的端點(diǎn)和拐角點(diǎn)均為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中垂直于地面的線特征點(diǎn)。因此構(gòu)件中特征線的提取轉(zhuǎn)換為切片平面上端點(diǎn)和拐角點(diǎn)的提取,提取方式如下:

(1)循環(huán)某個(gè)切片上的所有點(diǎn)Pi(i=1,2,…,I,I為對(duì)應(yīng)切片上的點(diǎn)數(shù)),對(duì)每個(gè)點(diǎn)Pi,搜索Pi的R近鄰域點(diǎn),用R近鄰域點(diǎn)做局部特征分析,R取為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中方向一致的相鄰直線間的最短距離。

(2)計(jì)算R鄰域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)到Pi點(diǎn)的距離,若不存在距離大于r的點(diǎn),則將Pi看作孤立的噪聲點(diǎn),不進(jìn)行保留;若R鄰域內(nèi)存在距離大于r的點(diǎn),則執(zhí)行步驟3～5。

(3)尋找R鄰域內(nèi)距離Pi點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn),將其作為為參考點(diǎn)Pr,Pr如圖3中的虛線點(diǎn)所示。

(4)將PiPr方向作為參考方向,計(jì)算Pi到R鄰域內(nèi)其他點(diǎn)Pj的方向與參考方向之間的角度θj。

(5)若除r鄰域點(diǎn)(圖3中淺色實(shí)點(diǎn))外,不存在角度在135°～180°之間的點(diǎn),則將Pi作為特征點(diǎn)(端點(diǎn)或拐角點(diǎn)),對(duì)其進(jìn)行保留;若除r鄰域點(diǎn)外,存在角度在135°～180°之間的點(diǎn),則將Pi作為非特征點(diǎn)(內(nèi)部點(diǎn)),不對(duì)其進(jìn)行保留。

圖3 切片上特征點(diǎn)提取

切片上提取的平面特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)該切片垂直方向上的線特征點(diǎn),因此將切片平面中的端點(diǎn)和拐角點(diǎn)映射到三維空間即得該切片方向上的特征線。圖4為沿第一切片方向的某相鄰幾個(gè)切片及映射到三維空間的線特征點(diǎn)。

圖4 平面切片及映射回三維空間的線特征點(diǎn)

1.4 線特征匹配

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的模擬預(yù)拼裝實(shí)際上為剛體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程,通過(guò)空間坐標(biāo)變換使兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在拼接處匹配到一起。如圖5所示,圖5(a)為兩構(gòu)件在拼接處的特征線,以圖5(a)中左側(cè)特征線為基準(zhǔn),將右側(cè)特征線通過(guò)坐標(biāo)變換統(tǒng)一到左側(cè)特征線所在的坐標(biāo)系下,拼接后兩構(gòu)件的特征線應(yīng)最優(yōu)地重合在一起,如圖5(b)所示。為實(shí)現(xiàn)該坐標(biāo)變換過(guò)程,以2.3中提取的線特征點(diǎn)為匹配對(duì)象,采用最鄰近點(diǎn)迭代法(Iterative Closest Point， ICP)[9-11]進(jìn)行坐標(biāo)變換參數(shù)的計(jì)算。

圖5 模擬預(yù)拼裝圖示

1.5 模擬預(yù)拼裝

采用線特征匹配的方式計(jì)算出拼裝構(gòu)件的坐標(biāo)變換參數(shù)后,對(duì)拼裝構(gòu)件按照計(jì)算出的參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換,將兩構(gòu)件統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下即可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以某鋼結(jié)構(gòu)加工廠生產(chǎn)的某大型橋梁構(gòu)件點(diǎn)云作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文提出的模擬預(yù)拼裝方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。相鄰兩個(gè)橋梁構(gòu)件的掃描點(diǎn)如圖6所示,構(gòu)件A和構(gòu)件B的長(zhǎng)度分別為17.72和26.86 m,點(diǎn)數(shù)量分別為15,561,955和40,375,521,待拼接處點(diǎn)云的平均點(diǎn)間距為3.9 mm。

圖6 橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

以26.86 m的長(zhǎng)構(gòu)件為基準(zhǔn),將17.72 m的短構(gòu)件拼接到長(zhǎng)構(gòu)件上。首先在CloudCompare軟件中通過(guò)平移短構(gòu)件點(diǎn)云來(lái)指定兩構(gòu)件的拼接位置,如圖7所示。然后提取待拼接處的特征線,提取結(jié)果如圖8所示。通過(guò)特征線匹配實(shí)現(xiàn)橋梁構(gòu)建的模擬預(yù)拼裝,其整體拼接結(jié)果如圖9所示,圖10為拼接處四個(gè)拼接面的放大拼接效果。

圖7 指定待拼接位置

圖8 提取待拼接處特征線

圖9 整體拼接結(jié)果

圖10 局部拼接結(jié)果

從圖8中可以看出,本文提出的特征線提取方法能較完整地提取出鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件待拼接處的特征線。從圖9和圖10中可以看出,本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的預(yù)拼接效果,對(duì)點(diǎn)云密度較小的構(gòu)件底部平面,也能實(shí)現(xiàn)較完整地拼接。圖10中左右兩邊分別為對(duì)應(yīng)的兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。左側(cè)對(duì)應(yīng)拼接的基準(zhǔn)構(gòu)件(長(zhǎng)構(gòu)件)，右側(cè)對(duì)應(yīng)待拼接構(gòu)件(短構(gòu)件)。

為定量分析本文方法的拼接精度,將拼接后兩構(gòu)件在拼接處特征線的重合程度作為拼接精度的衡量指標(biāo),該重合程度用拼接構(gòu)件拼接處特征線上所有的點(diǎn)到基準(zhǔn)構(gòu)件拼接處特征線上最近點(diǎn)的距離的平均值表示。采用該方法計(jì)算得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的拼接精度為7.6 mm,約為兩倍的平均點(diǎn)間距,具有較高的拼接精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

與大多數(shù)基于特征點(diǎn)匹配的方式利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬預(yù)拼裝的方法不同,本文提出了一種基于線特征匹配的模擬預(yù)拼裝方法。該方法首先基于切片的方式提取構(gòu)件待拼接處的特征線,然后通過(guò)特征線匹配采用ICP算法計(jì)算最優(yōu)坐標(biāo)變換參數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝。該方法大大提高了大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬拼裝的自動(dòng)化程度,減少了人工干預(yù)。且實(shí)驗(yàn)表明,該方法具有較高的模擬預(yù)拼裝精度,可用于具體鋼結(jié)構(gòu)模擬預(yù)拼裝實(shí)踐。該方法對(duì)利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)模擬預(yù)拼裝具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。