CN110095060A - 基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法 - Google Patents
基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于建筑施工技术领域，公开了基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，该方法包括以下步骤：快速扫描步骤：利用高精度全站扫描仪对构件吊装单元进行快速扫描，获取构件吊装单元的点云数据；特征点坐标计算步骤：通过点云数据进行平面和圆柱面拟合，建立平面和圆柱面方程，解算特征点位三维坐标；质量分析步骤：通过对特征点位三维坐标的计算和分析，分别得到构件吊装单元特征点在施工坐标系和设计坐标系中的三维坐标，计算三个方向的误差，判断其拼装质量。本发明通过平面和圆柱体拟合、关键点位三维坐标计算和三维坐标转换获取了吊装单元杆件节点在设计坐标系统中的三维坐标，根据三个方向的坐标差对吊装单元构件质量进行评价。
Description
技术领域
本发明属于建筑项目管理技术领域，尤其涉及基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测 方法。
背景技术
自上世纪八十年代以来，钢结构由于强度高、抗震性能好等优点，在高层建筑物中的运 用逐渐增多。为了方便材料运输和缩短施工周期，钢结构建筑物越来
越多地采用分节段制造和运输、现场拼装、分片吊装的方法进行施工。这种方法在有利 于材料运输、节约成本和缩短工期。现场拼装焊接的几何尺寸和空间位置是否满足规范和设 计要求是钢结构施工的关键。在钢结构质量检测中，传统手段多以全站仪测量杆件接口控制 点坐标为主，然而这种方法获取的数据量有限，加上吊装单元杆件接口焊接后关键点位无法 精确测量，故较难满足现代施工的要求。
解决上述技术问题的难度：
“基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测”包括外业扫描和软件处理两个步骤，外业 扫描获取高精度点云数据是基础，如何获取高精度点云数据、三维坐标控制网建立、测站点 的设置是本发明所要解决的首要问题。
点云数据精度分析是本发明需要解决的难点之一，通过精度分析可以判断扫描方法和手 段是否满足后续快速质量检测的需要。由于点云数据庞大，噪声和粗差的快速识别和剔除方 法需要进行研究和分析。
规则形状拟合包括平面拟合、球面拟合和圆柱面拟合。其中圆柱面拟合是本发明的难点 之一，首先，拟合前需要进行点云的分割和融合，为了得到高质量的点云数据块，点云的自 动分割和融合难度很大；其次，圆柱面拟合为非线性拟合，并且需要拟合最优七参数。
坐标转换是也本发明需要解决的难点之一，和一般的三维坐标转换不一样，吊装单元的 三维坐标转化不仅仅涉及到七参数的求解，更加要考虑坐标转化后是否有最优的拼接精度。
解决上述技术问题的意义：
本发明的目的是形成一个基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，取代传统的质 量检测方法。
钢结构施工一般分节段制作，现场吊装焊接完成。为了保证施工质量和节段的顺利安装， 分节段制作的钢结构杆件制造几何尺寸精度是否满足设计和规范要求是后续顺利安装的关 键。通常情况下，钢结构在安装前需要进行几何质量检测，以便及时了解制造误差，为后续 现场拼装提供数据支持。
传统的钢结构几何质量检测一般采用全站仪测量构件节点三维坐标方法，然而受制造和 焊接等工艺的影响，钢结构节点往往并不明显，数据质量受作业人员经验影响较大；同时由于 全站仪单点测量模式获取的数据十分有限，当钢结构造型复杂时，测量数据将无法全面反映 钢结构的外形特征。基于此，运用高精度三维扫描技术成为钢结构几何质量检测的发展方向。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法。
本发明是这样实现的，基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，所述基于三维扫 描技术的钢结构快速质量检测方法包括以下步骤：
快速扫描步骤：利用高精度全站扫描仪对构件吊装单元进行快速扫描，获取构件吊装单 元的点云数据；
特征点坐标计算步骤：通过点云数据进行平面和圆柱面拟合，建立平面和圆柱面方程， 解算特征点位三维坐标；
质量分析步骤：通过对特征点位三维坐标的计算和分析，分别得到构件吊装单元特征点 在施工坐标系和设计坐标系中的三维坐标，计算三个方向的误差，判断其拼装质量。
作为优选，所述快速扫描步骤之前还包括建立扫描控制网步骤，其具体为，在适当位置(指 的是为了得到较高的扫描精度，作为控制点的棱镜需要形成较好的图形条件。具体地讲，如 果安置3个棱镜，需要这3个棱镜成120°分布，棱镜尽量在构件外面，根据现场情况距离 构件可以不太远，根据经验5～10米即可。如果安置4个，可以尽量成90°分布。目前没有 选取标准，严格来说，这个首先要进行预先设置，高精度仪器上会有后方交会精度显示，如 果后方交会精度达到1mm左右，就说明满足精度要求)安置多个棱镜作为控制点，首站对控制 点棱镜的坐标和高程进行直接测量，通过后方交会的方式确立后续测站位置。
作为优选，所述特征点坐标计算步骤：通过点云数据进行平面和圆柱面拟合，建立平面 和圆柱面方程，解算特征点位三维坐标，其具体为，
平面拟合步骤：根据点云数据计算空间平面方程式的4个参数，得到平面方程式；
圆柱面拟合步骤：根据点云数据计算圆柱面方程式中的7个参数，从而得到圆柱面方程；
特征点位三维坐标解算步骤。
作为优选，所述质量分析步骤：通过对特征点位三维坐标的计算和转换，分别得到构件 吊装单元特征点在施工坐标系和设计坐标系中的三维坐标，计算三个方向的误差，判断其拼 装质量，其具体为，
特征点在施工坐标系中的三维坐标计算步骤：通过点云数据进行平面和圆柱面拟合，建 立平面和圆柱面方程，解算特征点位三维坐标；
特征点在设计坐标系中的三维坐标计算步骤；
误差计算步骤。
作为优选，所述特征点在设计坐标系中的三维坐标计算步骤，其具体为，
连接点的三维坐标的计算步骤：根据钢构的几何特点和点云数据，进行平面拟合和圆柱 面拟合，根据平面方程和圆柱面方程求出连接点的三维坐标；
关键点的三维坐标的计算步骤：根据算法已经形成了满足精度要求的平面方程和圆柱面 方程，在平面拟合方法和圆柱面拟合方法中有评判精度的指标，一般以中误差(标准偏差) 5mm判断，如果拟合不满足精度要求，软件会回馈相关信息,实际上本项目中拟合标准偏差非 常小，均小于1mm，通过解联立两个平面和一个柱面方程或三个平面方程，求出关键点的三 维坐标。
作为优选，所述误差计算步骤，其具体为:
利用三维扫描技术得到吊装单元特征点在设计坐标系中的三维坐标，并通过人工识别方 式分别选取吊装单元中的各平面和圆柱面，将其分割成单独的点云集，利用计算机软件对分 割的各点云集进行拟合，求得平面与圆柱面方程，并以点云集中各点到拟合面距离的标准差 作为拟合质量评价指标；
利用求得的平面和柱面方程联立求解得杆件交点测量坐标，从而经过坐标转换得到在设 计坐标系统下的杆件交点坐标，由于设计中有杆件交点坐标，那么可以对杆件交点坐标比较， 通过坐标也可以计算杆件长度、宽度等，与设计值比较，判断是否满足杆件组装要求后，根 据实测三维坐标和设计三维坐标解算三维坐标转换参数，进行三维坐标转换，将实测三维坐 标转换到设计三维坐标体系下，进行三维坐标比较，计算三个方向的误差，判断拼装质量； 将三维坐标转换到施工坐标系中，判断整体施工质量。
作为优选，所述平面拟合的基本原则是在进行粗差剔除后，所有点到平面的距离平方和 最小；
所述圆柱面拟合基本原则是在进行粗差剔除后，所有点到轴线距离与圆柱面半径之差的 绝对值之和最小。
作为优选，所述连接点为钢结构各杆件的连接点；所述关键点为钢结构的特征面交点。
作为优选，所述适当位置为棱镜形成精确图形条件的位置，该图形精度为0.9-1.1mm。
作为优选，所述平面方程和圆柱面方程的拟合方法的评判精度为5mm。
本发明的有益效果是与传统基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法相比，具有以 下有益效果：
1、解决了现场预拼装检测方法中需要足够大的场地，足够的人工和工时及成本较高等问 题；
2、克服了传统预拼装的吊线锤、多次转站测量精度不高、自动化程度不高的特点；且高 精度全站扫描仪的钢构预拼装在构件制造完毕后直接进行扫描，不需要拼装的吊线锤、不需 要二次转运、不需要以特定的方式存放；
3、本发明利用高精度激光扫描技术、结构模型和信息化网网络进行构件模拟预拼装，不 额外占用施工场地，缩短施工周期，减低施工成本；
4、本发明可形成一套钢结构快速质量检测方法，该方法具有精度高，速度快，方便进行 吊装单元施工质量分析等特点；
5、本发明利用过重构的三维模型可以对该实物模型进行误差分析和模拟预拼装；通过全 站仪和三维模型相结合的三维空间定位测量技术指导放样，控制安装误差。
附图说明
图1为本发明基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法的流程示意图；
图2为本发明基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法实施例一的流程示意图；
图3为本发明基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法一具体三维数据采集示意 图；
图4为本发明基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法一具体吊装单元测量坐标误 差统计图；
图5为本发明基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法一具体空间坐标转换示意 图。
图6为本发明基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法一具体圆柱面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行 进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定 本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图2所示，基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，包括以下步骤：
步骤S10，利用高精度全站扫描仪对构件吊装单元进行快速扫描，通过点云数据进行平 面和圆柱面(如图6所示)拟合、然后进行特征点坐标计算和转换；
步骤S20，利用计算机建立平面和圆柱面方程，解算特征点位三维坐标，然后将三维坐 标转换到施工坐标系中(如图5所示)；
步骤S30，利用特征点坐标计算和转换，得到构件吊装单元特征点在设计坐标系中的三 维坐标；
步骤S40，基于三维扫描技术对吊装单元质量检测，并对整体施工质量进行评判；
步骤S50，根据该质量检测方法，对整体施工质量评判结构进行分析、整理，为后续吊 装方案优化提供依据。
进一步地，步骤S10和S20之间还包括：
步骤S11，扫描仪获取钢结构点云数据前，考虑需要对扫描对象进行全方位扫描，同时 需要多次设站扫描，为了保证数据在统一的坐标系下，必须首先建立扫描控制网。
所述必须首先建立控制网的建立方法为：
在适当位置指的是为了得到较高的扫描精度，作为控制点的棱镜需要形成较好的图形条 件。具体地讲，如果安置3个棱镜，需要这3个棱镜成120°分布，棱镜尽量在构件外面， 根据现场情况距离构件可以不太远，根据经验5～10米即可。如果安置4个，可以尽量成90° 分布。目前没有选取标准，严格来说，这个首先要进行预先设置，高精度仪器上会有后方交 会精度显示，如果后方交会精度达到1mm左右，就说明满足精度要求，安置3个或3个以上 棱镜作为控制点，首站对控制点棱镜的坐标和高程进行直接测量，后续测站位置的确立采用 后方交会的方法得到。
进一步地，步骤S10具体包括：
利用高精度的激光全站扫描仪采集关键点位的三维坐标或对构件进行点云扫描，然后通 过数据处理和三维模型重构，得到高精度的单一钢构三维实物模型。
步骤S20具体包括：
利用高精度全站扫描仪对吊装单元进行快速扫描，快速获取吊装单元点云数据；通过点 云数据进行平面和圆柱面拟合，建立平面和圆柱面方程，解算特征点位三维坐标；
通过点云数据进行平面和圆柱面拟合、然后进行特征点坐标计算和转换，得到吊装单元 特征点在设计坐标系中的三维坐标，从而对施工质量进行评判。
步骤S30具体包括：
根据钢构的几何特点和点云数据，可以进行平面拟合和圆柱面拟合等工作，然后根据平 面方程和圆柱面方程求出连接点的三维坐标；
根据钢构的几何特点和点云数据，可以进行平面拟合和圆柱面拟合等工作，然后根据平 面方程和圆柱面方程求出连接点的三维坐标。
根据算法已经形成了满足精度要求的平面方程和圆柱面方程，通过解联立两个平面和一 个柱面方程或三个平面方程即可得到关键点的三维坐标。
进一步地，步骤S30和S40之间还包括：
步骤S31，根据钢构的几何特点和点云数据，可以进行平面拟合和圆柱面拟合等工作的 步骤具体包括：
平面拟合的目的是根据点云数据计算空间平面方程式的4个参数，得到平面方程式。平 面拟合的基本原则是在进行粗差剔除后，所有点到平面的距离平方和最小；
圆柱面拟合的目的是根据点云数据计算圆柱面方程式中的7个参数，从而得到圆柱面方 程。圆柱面拟合的基本原则是在进行粗差剔除后，所有点到轴线距离与圆柱面半径之差的绝 对值之和最小。
步骤S40具体包括：
利用三维扫描技术得到吊装单元特征点在设计坐标系中的三维坐标，并通过人工识别方 式分别选取吊装单元中的各平面和圆柱面，将其分割成单独的点云集，利用自编软件对分割 的各点云集进行拟合，求得平面与圆柱面方程，并以点云集中各点到拟合面距离的标准差作 为拟合质量评价指标；
利用求得的平面和柱面方程联立求解得杆件交点测量坐标后，根据实测三维坐标和设计 三维坐标解算三维坐标转换参数，进行三维坐标转换，将实测三维坐标转换到设计三维坐标 体系下。进行三维坐标比较，计算三个方向的误差，判断拼装质量，从而对整体施工质量进 行评判。
进一步地，步骤S40和S50之间还包括：
步骤S41，进行三维坐标比较，计算三个方向的误差，判断拼装质量，从而对整体施工 质量进行评判的步骤具体包括：
利用三维坐标X、Y、Z三个方向的坐标比较，计算三个方向的误差大小，然后将三维坐 标转换到施工坐标系中，从而评判吊装单元质量；同理，对整体施工质量进行评判。
步骤S50具体包括：
对吊装单元质量评判的结果，并采用同样的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方 法从而评判整体施工质量；
通过对整体施工质量进行评判，对评判结果进行分析、整理，得出一套有依据的可供参 考的数据，从而为后续类似工程吊装方案优化提供依据；
在步骤S50之后还包括：
从而为后续类似工程吊装方案优化提供依据。
通过对整体施工质量进行评判，对评判结果进行分析、整理，得出一套有依据的可供参 考的数据，从而为后续类似工程吊装方案优化提供依据。
参照图2至图6，以下以某大厦裙楼屋盖为双曲面网壳钢结构为例具体说明其基于三维 扫描技术的钢结构快速质量检测方法。
主要由直线型杆件构成，杆件间用圆柱体连接过渡，杆件与圆柱体焊接(如图4)。该工 程材料用量多、造型复杂，为了完成网壳钢结构的施工安装，首先在工厂按照设计制成钢结 构杆件和圆柱面；然后将钢杆件和钢圆柱面运输到现场后进行吊装单元的放样和焊接；最后 将吊装单元吊至裙楼屋面进行吊装单元的二次拼装。其三维扫描技术的钢结构快速质量检测 方法具体如下。
一、全站扫描仪扫描数据获取
全站扫描仪集高精度全站仪和点云扫描功能于一体，较三维激光扫描仪而言，具有扫描 点云精度高和可以省去点云数据配准的优点。利用全站扫描仪获取钢结构点云数据时，考虑 需要对扫描对象进行全方位扫描，故需要多次设站扫描，为了保证数据在统一的坐标系下， 必须首先建立扫描控制网。控制网的建立方法为：在适当位置安置3个或3个以上棱镜作为 控制点，首站对控制点棱镜的坐标和高程进行直接测量，后续测站位置的确立采用后方交会 的方法得到。
扫描距离和扫描入射角是影响点云质量的重要因素，当现场选取适宜的扫描距离和入射 角后，利用全站扫描仪获取的钢构点云平面重构和圆柱面重构精度可达1.2mm，完全能够满 足工程需要。建议扫描距离在10m左右，入射角不宜偏离90°过大。此外在扫描过程中需要 设置扫描点间距，综合考虑扫描精度和扫描时间因素，扫描点间距选择最远端5mm为宜。
二、特征点提取与三维坐标匹配方法研究
为了检验吊装单元中所有杆件几何尺寸和空间位置是否满足规范和设计要求，需要求得 各杆件连接点(特征点)的三维坐标。由于各构件之间已经完成了焊接，不能直接测量连接 点的三维坐标。根据钢构的几何特点和点云数据，可以进行平面拟合和圆柱面拟合等工作， 然后根据平面方程和圆柱面方程求出连接点的三维坐标。由于吊装单元在地面完成，其三维 坐标不会和吊装完成后的三维坐标一致，故需要进行大角度的三维坐标转换。
1、平面拟合方法研究
假设空间平面方程为
ax+by+cz＝d (1)
x、y、z为空间右手坐标系，a、b、c、d为待求参数，其中(a，b，c)为平面的单位法 向量，即，d为坐标原点到平面的距离。
平面拟合的目的是根据点云数据计算空间平面方程式的4个参数，得到平面方程式。平 面拟合的基本原则是在进行粗差剔除后，所有点到平面的距离平方和最小。即：
本文采用基于随机抽样一致性算法的稳健点云算法[3]对平面特征进行拟合。
2、圆柱面拟合方法研究
如图6(圆柱面)所示，x、y、z组成空间右手坐标系，设圆柱面半径为R，轴线方向的单位向量为，轴线上选择一点坐标为，则圆柱面方程式为：
R2＝(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2-[a(x-x0)+b(y-y0)+c(z-z0)]2 (3)
式中x0、y0、z0、R、a、b和c为待求参数，(a、b、c)为轴线方向的单位向量，即：， x0、y0、z0为圆柱面轴线上的任一点。
圆柱面拟合的目的是根据点云数据计算圆柱面方程式中的7个参数，从而得到圆柱面方 程。圆柱面拟合的基本原则是在进行粗差剔除后，所有点到轴线距离与圆柱面半径之差的绝 对值之和最小。即：
本文采用基于带有条件的间接平差求圆柱面方程，然后进行精度分析，如果精度不满足 要求，则重新检查点云数据及算法，直至得到满意的结果。
在进行带有条件的间接平差计算时，为了分析问题的方便，误差方程表达式如下：
v＝(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2-[a(xi-x0)+b(yi-y0)+c(zi-z0)]2-R2 (5)
条件方程式为：a2+b2+c2＝1
3、钢构关键点位空间坐标提取
钢结构的关键点一般为特征面的交点，前面根据算法已经形成了满足精度要求的平面方 程和圆柱面方程，通过解联立两个平面和一个柱面方程或三个平面方程即可得到关键点的三 维坐标。
4、三维坐标空间匹配方法研究
由于现场获取点云的坐标系和设计坐标系不一致，需要将测量坐标系(如图3中o-xyz) 通过旋转和平移，匹配到设计坐标系(如图5(空间坐标转换示意图)中O-XYZ)中。
不考虑尺度因子，空间坐标系的转换需要3个平移参数和3个选择参数[4]。6个参数获 取时需要将关键点纳入进行平差计算。建立误差方程式和条件方程式，求解误差方程式，保 证数字计算方法稳定，计算精度高。
令x轴在O-XYZ中的方向余弦为(a1,b1,c1)，y轴在O-XYZ中的方向余弦为(a2,b2,c2)， z轴在O-XYZ中的方向余弦为(a3,b3,c3)，则X轴在o-xyz中的方向余弦为(a1,a2,a3)，Y 轴在o-xyz中的方向余弦为(b1,b2,b3)，Z轴在o-xyz中的方向余弦为(c1,c2,c3)， (X0,Y0,Z0)为o-xyz的原点相对于O-XYZ原点的平移，这两个三维坐标系关系用矩阵表示 为：
令若M满足MMT＝MTM＝E，则M为正交矩阵，相应的坐标变换为正
交变换。若M为正交矩阵，则必然有下列关系：
a1a2+b1b2+c1c2＝1
a1a3+b1b3+c1c3＝1
a2a3+b2b3+c2c3＝1 (7)
因此M矩阵中仅有3个独立的参数，其余6个参数可以从上面条件中推得。
将式(6)用泰勒级数展开，并仅去一次项，可得：
将上式写成误差方程式
Vi＝AiX+Li (9)
其中：Vi＝[Vxi Vyi Vzi]，
X＝[dX0 dY0 dZ0 da1 da2 da3 db1 db2 db3 dc1 dc2 dc3]T
根据式(9)列出条件方程为
BX+W＝0 (10)
其中
按照附有条件的间接平差方法求解式(9)、(10)即可得到X，从而计算6个转换参数。 三、实例分析
1、数据采集与预处理
(1)确定全站仪扫描方案
1)、根据精度要求准备合适的扫描全站仪。
2)、根据构件的结构形式和精度要求确定预拼装方案，确保扫描区域能覆盖现场安装所 涉及的主要控制点并能尽可能少的扫描次数。
3)、明确合适的定位基准以便模型拼接方便。
4)、采用高精度全站扫描仪获取钢构点云数据，通过平面和圆柱体拟合、关键点位三维 坐标计算和三维坐标转换快速获取了吊装单元杆件节点在设计坐标系统中的三维坐标，根据 三个方向的坐标差对吊装单元构件质量进行评价。
(2)实体模型构建
1)、根据设计图用专业实体建模软件对构件进行实体建模。
2)、实体模型必须精确，要求建模数据比例1:1(单位mm)。
3)、实体模型必须是与安装、制造的构件匹配，模型处于整体状态且可以单个构件单独 分离出来，之后由单个构件拼装为片式构件。
(3)仪器精度分析与校验
1)、测站误差和测站点测量误差的综合影响分析。
安置棱镜位置为三个控制点，在多个不同方位(图上仅标出四个)模拟测量方法安置仪 器，每次按照边角后方交会测量得到测站点的三维坐标和方位角，然后利用激光测距测量12 个标志点的三维坐标。三维数据采集示意见图2。
2)、经过多次测量后，将每个点三维坐标的平均值作为真值的最可靠值对误差进行分析。 点位误差分析示意见图3。
3)、中值误差要求不得大于1mm。
(4)构件扫描数据采集
1)、重构实测精度分析，根据构件大小明确扫描距离和扫描角及其他扫描参数。
为了了解全站扫描仪、被扫描物体、扫描入射角、扫描距离等对平面重构的影响，本文 选取现场拼装焊接完成的某一个吊装单元作为研究对象，利用全站扫描仪进行多测站扫描， 形成的原始点云数据，去噪后点云数据，并通过人工识别方式分别选取吊装单元中的各平面 和圆柱面，将其分割成单独的点云集，为后续拟合做准备。
将扫描数据导入专业软件进行处理，通过三维坐标转换，将点云通过数据参数化平面重 构方法拟合为平面，对点云与平面间距离误差进行分析统计，明确最合理的扫描距离(全站 扫描仪距离构件的距离)和扫描角度。
分析表明在合适的扫描距离和扫描角度的情况下，扫描精度可控制在2mm以内，可以满 足预拼装要求。
2)、根据精度分析的最佳扫描距离和扫描角度后，对构件进行扫描，扫描后的构件形成 的点云数据。
(5)数据处理和几何模型重构
1)、扫描模型降噪处理
在三维数据采集过程中，由于环境、仪器和人为等因素会产生许多噪点，这些噪点不利 于点云数据的精准配准和三维模型重构等后续工作的进行，因此需要对采集到的数据进行去 噪处理。噪声数据点分为测量物体轮廓外的明显噪声点和测量物体轮廓内的噪声点。对于不 影响物体形貌信息外的明显噪声点可以人工手动删除；而对于测量物体轮廓内的噪点去除则 对于不同类型的点云数据有相对应合适的去噪方法。有序点云和部分有序点云之间由于存在 拓扑关系，一般采用平滑滤波就可以达到点云去噪的目的。数据平滑滤波方法主要有中值滤 波、平均值滤波和高斯滤波三种，以中值滤波为例，该方法是将相邻的三个点取平均值来代 替原始点以消除毛刺数据。无序点云的去噪方法有很多，其中最常见的是双边滤波法。该方 法将一个邻域点集N(q)分为邻域点在q点通过法向的一维空间和过q点切平面的二维空间 的两个空间值之和，其中过q点的二维切平面定义为视平面，邻域点在视平面上的投影表示 为点的位置信息，邻域点到投影点的长度用灰度值来表示，类似于图像处理，该方法将滤波 思想引入点云数据模型光滑去噪中。
2)、模型集合重建
在完成点云数据预处理后需要对点云数据进行几何重建，几何重建是指用高级的几何特 征，如线、面、多边形网格和几何基元来对点云数据进行表面模型和几何模型的拟合。
a、基于特征线的方法：通过拟合建筑体和建筑物立面边界的点云数据，可以得到建筑物 外部特征的完整轮廓线，从而实现由点云数据描述建筑物外部形态到轮廓线表达建筑物外部 形态的转换。
b、基于特征面的办法：利用平面或曲面来构造目标地物的表面模型或实体模型。具有代 表性的数学模型包括：贝塞尔曲面和非均匀有理B样条函数。
(6)重构后的模型与构件实体模型比对
1)、大跨度双曲面网壳钢构预拼装的目的是对工业构件进行几何形状的质量检测。在这 个过程中，必须要将测量并处理好的点云数据与已有构件的CAD模型进行配准比较。在测量 过程中，获取到的点云数据坐标是由测量设备的坐标系确定的，而CAD模型则是在设计坐标 系中得到的，因此点云数据与CAD模型的配准从本质上来说就是在欧式空间中通过欧式变换 调整数据集合的三维状态，使不同的数据集能够统一到同一坐标参考系下并使它们之间重叠 的差异性达到最小。
2)、首先进行数据粗配准，对已有的CAD模型通过离散获得一组点云数据，根据所得到 点云数据与实测点云数据的三维坐标计算出旋转和平移矩阵，然后进行点云的精配准。
3)、经过数据粗配准可以基本建立两组点云数据之间的对应关系，但是这种对应关系并 不是很准确，因此必须对数据进行精配准。三维数据精确配准采用IPC算法，该方法的思路 是不断寻找一组点云数据中的每一个点与另一组点云中最近的点直至彼此之间对应点的距离 达到最小为止。这样就完成了点云数据模型与CAD模型的配准。
(7)误差分析
在完成点云数据预处理和点云数据与CAD模型配准后进行钢结构构件的试拼接。钢结构 试组装过程中首先要分析点云数据模型和CAD模型的配准误差，采用GeomagicStudio对配 准后的三维测量数据和CAD模型进行三维偏差计算。如果在误差允许范围内，最后拟合点云 数据模型的典型控制面，得到构件断面的中心点三维坐标，通过比较相对应的中心点的三维 坐标计算出完成试拼接后两构件之间的相对误差。
(8)安装控制预报及安装过程实施调整
1)、根据模型比对误差，调整实物模型的空间位置，给出空间控制坐标及误差范围以便 现场进行安装控制。
2)、每个分段安装完毕后，测量数据反馈至实物实体模型，再次进行实物实体模型，分 析数据，根据数据给出下一分段的测量数据预报。
2、吊装单元杆件平面和圆柱面拟合分析
根据上节第1(平面拟合方法研究)和第2(圆柱面拟合方法研究)所述方法利用自编软 件对分割的各点云集进行拟合，求得平面与圆柱面方程，并以点云集中各点到拟合面距离的 标准差作为拟合质量评价指标。统计结果表明：各平面拟合标准偏差均小于1mm，平均标准 差0.48mm，有效点云占比平均值为96.3％；各圆柱面拟合标准偏差均小于0.6mm，平均标准 差为0.43mm，有效点云占比平均值为98.1％。点云数据拟合精度很高。
3、关键点位坐标误差统计
利用求得的平面和柱面方程联立求解得杆件交点测量坐标，从而经过坐标转换得到在设 计坐标系统下的杆件交点坐标，由于设计中有杆件交点坐标，那么可以对杆件交点坐标比较， 通过坐标也可以计算杆件长度、宽度等，与设计值比较，判断是否满足杆件组装要求后，根 据实测三维坐标和设计三维坐标解算三维坐标转换参数，进行三维坐标转换，将实测三维坐 标转换到设计三维坐标体系下。进行三维坐标比较，计算三个方向的误差，判断拼装质量。 比较结果见图3。从图中可以看出：X、Y、Z三个方向误差均较小，吊装单元质量满足要求。
总之，本发明涉及的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法采用高精度全站扫描 仪获取钢构点云数据，通过平面和圆柱体拟合、关键点位三维坐标计算和三维坐标转换快速 获取了吊装单元杆件节点在设计坐标系统中的三维坐标，根据三个方向的坐标差对吊装单元 构件质量进行评价。
实例表明基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法具有精度高，解算速度快，方便 进行质量评价等特点。由于获取了吊装单元的设计坐标，结合已经吊装单元的坐标信息，还 可以为后续类似工程吊装方案优化提供依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法包括以下步骤：
快速扫描步骤：利用高精度全站扫描仪对构件吊装单元进行快速扫描，获取构件吊装单元的点云数据；
特征点坐标计算步骤：通过点云数据进行平面和圆柱面拟合，建立平面和圆柱面方程，解算特征点位三维坐标；
质量分析步骤：通过对特征点位三维坐标的计算和分析，分别得到构件吊装单元特征点在施工坐标系和设计坐标系中的三维坐标，计算三个方向的误差，判断其拼装质量。
2.如权利要求1所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述快速扫描步骤之前还包括建立扫描控制网步骤，其具体为，在适当位置安置多个棱镜作为控制点，首站对控制点棱镜的坐标和高程进行直接测量，通过后方交会的方式确立后续测站位置。
3.如权利要求2所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述特征点坐标计算步骤：通过点云数据进行平面和圆柱面拟合，建立平面和圆柱面方程，解算特征点位三维坐标，其具体为:
平面拟合步骤：根据点云数据计算空间平面方程式的4个参数，得到平面方程式；
圆柱面拟合步骤：根据点云数据计算圆柱面方程式中的7个参数，从而得到圆柱面方程；
特征点位三维坐标解算步骤。
4.如权利要求1所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述质量分析步骤：通过对特征点位三维坐标的计算和转换，分别得到构件吊装单元特征点在施工坐标系和设计坐标系中的三维坐标，计算三个方向的误差，判断其拼装质量，其具体为，
特征点在施工坐标系中的三维坐标计算步骤：通过点云数据进行平面和圆柱面拟合，建立平面和圆柱面方程，解算特征点位三维坐标；
特征点在设计坐标系中的三维坐标计算步骤；
误差计算步骤。
5.如权利要求4所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述特征点在设计坐标系中的三维坐标计算步骤，其具体为，
连接点的三维坐标的计算步骤：根据钢构的几何特点和点云数据，进行平面拟合和圆柱面拟合，根据平面方程和圆柱面方程求出连接点的三维坐标；
关键点的三维坐标的计算步骤：根据平面方程和圆柱面方程，，通过解联立两个平面和一个柱面方程或三个平面方程，求出关键点的三维坐标。
6.如权利要求4所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述误差计算步骤，其具体为，
利用三维扫描技术得到吊装单元特征点在设计坐标系中的三维坐标，并通过人工识别方式分别选取吊装单元中的各平面和圆柱面，将其分割成单独的点云集，利用计算机软件对分割的各点云集进行拟合，求得平面与圆柱面方程，并以点云集中各点到拟合面距离的标准差作为拟合质量评价指标；
利用求得的平面和柱面方程联立求解得杆件交点测量坐标，，根据实测三维坐标和设计三维坐标解算三维坐标转换参数，进行三维坐标转换，将实测三维坐标转换到设计三维坐标体系下，进行三维坐标比较，计算三个方向的误差，判断拼装质量；将三维坐标转换到施工坐标系中，判断整体施工质量。
7.如权利要求3所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述平面拟合的基本原则是在进行粗差剔除后，所有点到平面的距离平方和最小；
所述圆柱面拟合基本原则是在进行粗差剔除后，所有点到轴线距离与圆柱面半径之差的绝对值之和最小。
8.如权利要求5所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述连接点为钢结构各杆件的连接点；所述关键点为钢结构的特征面交点。
9.如权利要求2所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述适当位置为棱镜形成精确图形条件的位置，该图形精度为0.9-1.1mm。
10.如权利要求5所述的基于三维扫描技术的钢结构快速质量检测方法，其特征在于，所述平面方程和圆柱面方程的拟合方法的评判精度为5mm。
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