基于三維激光掃描技術在地鐵竣工檢測方向上應用及研究

高瑞金

江蘇省南京工程高等職業學校 江蘇 南京 211100

本項目主要介紹采用三維激光掃描技術應用在地鐵竣工檢測工作中的新技術方法，隨著三維激光掃描技術的發展，逐漸開始在施工竣工檢測中得到很好的應用，經過實際測試可得出三維激光掃描技術在高精度數據獲取和檢核對比設計圖紙過程中具有良好效果，不僅僅區域數據齊全性問題[1]，而且具有較高的作業效率和數據精確度[2-4]。本文主要通過對三維激光掃描的外業作業流程、處理方法、對比方法及精度可用性，通過實際數據進行詳細說明，總結此技術在此方面的應用的獨特優勢。

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，實際上就是一個不斷重復的數據采集和處理過程，它通過具有一定分辨率的空間點（坐標x,y,z，其坐標系是一個與掃描儀設置位置和掃描姿態有關的儀器坐標系）所組成的點云圖來表達系統對目標物體表面的采樣結果。三維激光掃描技術是將實體的三維復雜信息通過激光的捕獲形成帶有屬性信息的實體三維點云模型，通過高速激光的掃描測量，獲取目標的點、線、面、體、空間等三維實測數據進行高精度三維逆向建模，又稱實景復制技術[5-7]。

1.2 數據處理方法

為了能夠得到好的三維點云數據需要對采集的原始數據進行處理，數據處理通常包括各測站點云數據拼接配準、數據去噪和坐標轉換等操作，數據拼接通過有多種方法，無目標拼接、有目標拼接以及采集過程實時自動處理拼接。

2 三維點云數據采集處理

2.1 研究項目概況

通過跨行業的技術融合將BIM信息化模型與逆向工程結合，利用精度達2mm的工業級Trimble X7三維激光掃描儀，對實際地鐵站場景掃描，通過對掃描模型的測量實現全方位測量；在虛擬環境下仿真模擬實際檢測過程，通過掃描模型與理論模型擬合對比分析，實現結構單元整體的數字預拼裝。圖1為整體技術流程。

圖1 整體技術流程

2.2 外業數據采集

首先，工件的大小、位置、形狀等情況，布設好各測站位置，規劃掃描站數和需要測量的特征數據，確保獲取的數據齊全、完整和可用。測站位置的布設要在地鐵站內的多個角度分別架設掃描站，并且在遠處盡量高的位置架設確保工件頂部可以獲取完整數據，相臨測站之間要具有一定重復性，可以在后期完成數據的整體拼接[8-9]。圖2為Trimble X7三維激光掃描儀現場作業情況。

圖2 實際地鐵站數據采集

通過利用專業的三維數據處理軟件，對點云進行后處理，將整體點云數據拼接、去噪、分割、抽吸、格式轉換最終輸出到檢測軟件polyworks中。

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

圖3 平均點間距量取

圖4 整體點云展示

圖5 設計模型與實際點云模型對比檢測

3 研究成果分析

3.1 點云模型與設計模型擬合

數字化檢測就是利用原始設計模型與掃描獲取到的三維點云模型進行對比檢測，在對工件進行檢測時，需要將兩種數據分別導入到檢測軟件中，由于兩種屬于不同類型數據，無法完全拼接，利用特征點選區的方法分別在三維點云模型數據上和設計模型上分別點同名點坐標，軟件會根據所選取的點特征信息進行自動擬合對齊[10-12]。

3.2 點云模型與設計模型對比檢測

預對齊后軟件會自動作迭代計算精細對齊兩個數據，并且可以通過設置最大距離，采樣率等參數將對齊精度控制在理想范圍。根據坐標系的坐標軸方向以及數據偏差調整的工藝裝備的位置，直到測量數據在理論數據的尺寸公差范圍內，進行外形尺寸檢測以及質量控制，這種數字化測量方法使工作效率與檢測精度大幅度提高[13]。

使用最佳擬合對齊數據創建數據彩圖，具體的公差范圍，色度帶都可以自由定制，實現多種檢測成果。這種檢測方式可以將要檢測的數據的單點位置、周圍面積區域、大型沖壓工件的曲面輪廓進行有效的檢測,并且通過檢測可以對構件部分原材料需預設反變形精度得到有效的控制。如圖所示。

此時可以對選定的檢測公共點進行檢測測量，通過對比原始數字模型和虛擬三維點云模型，分析兩者的偏差情況，對點云數據進行創建注釋，可以顯示任意一點的誤差數值，并且可以自定義字段設置注釋內容。如對工件定位角點、拐點、特征點、定位孔進行自定義標注檢測[14-15]。

創建數據餅圖，查看誤差分布范圍，可以合理評估整體施工質量。

3.3 檢測結果分析

從圖6可以直觀分析出，該工件的質量整體誤差，其中因兩種模型的細節存在微結構差異，將標準參考值設定為0，整體質量誤差分為-50mm到標準值0，0到正向誤差50mm，其中誤差中主要集中在30mm以內，并且占整體的80%，由此可以確定該工件是否符合理論設計要求[16-17]。

圖6 檢測參數設定

圖7 三維坐標檢測彩圖

圖8 誤差統計餅狀圖

圖9 特征結構檢測點三維誤差統計

圖10 整體檢測信息統計

4 總結

逆向檢測工程設計是一項開拓性、創新性、實用性和綜合性很強的技術，點云數據的采集及后續的處理是逆向工程中至關重要的一步。本文以實際項目應用為例，闡述了利用設計模型對實際掃描的三維點云數據對比檢測的技術方案和基本原理，并對施工后的土建建筑設施質量精度做了詳細的分析和論述，幫助竣工質檢人員快速、準確的把控生產質量，大大提高整體地鐵項目的施工和質檢質量。地鐵施工檢測方向研究主要是通過三維激光掃描技術結合BIM技術，自動生成檢測數字化模型，實現與理論模型數據擬合分析，軟件自動進行誤差計算。此種虛擬檢測技術方法與傳統人工全站儀或皮尺量測，具有較大的優勢，尤其在復雜空間建筑結構尤其復雜的土建方面，采用模擬預拼裝技術可以節省大量人工、措施及設備投入，且不占用預拼裝場地，對提高鋼結構預拼裝質量、效率起到質的改變，是工廠逆向工程中最為至關重要的一個技術環節。