CN115127476B - 一种3d扫描的钢结构合龙检测及配切方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法，包括点云数据采集；点云提升模拟；合龙精度检测；配切段点云计算，采用了三维激光扫描仪全景高精细的扫描方式，建立大桥主体拱脚及提升段各个视角的3D点云数据，通过点云剔噪处理法提取拱脚及提升段的点云数据，点云分割法分离拱脚与提升段的点云数据，点云坐标平移法模拟出提升高度，点云空间分析法检测合拢段安装精度，点云投影法计算出配切区域，点云切割处理提取配切范围，提取出分割边界线，即为配切放样线，导出配切各个角的坐标值，用于现场直接放样配切。以解决现有方法存在的现场施工操作繁琐，精度受限，容易出错，需要多次复核切割线等问题。属于土木工程领域。

Description

一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法

技术领域

本发明涉及一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法，尤其适用于大跨度钢结构合龙检测及和合龙段配切及施工。属土木工程领域。

背景技术

绍兴舜江拼宽大桥为国内首座非对称大跨度异型八面体系杆拱桥，主拱采用一次吊装合龙焊接，其提升合龙精度极高。目前，针对大跨度的异性钢结构桥梁合龙段安装精度检测，主要采用全站仪单点测量为主，通过在合龙段周围布设一定数量观测标志，如棱镜、反射片等，全站仪定期测量出观测标中心坐标，根据多期观测坐标差值来计算合龙段的安装精度，属于以点带面的检测法，检测精度存在一定的局限性，且外业工作量较大，耗时较长，容易受现场施工干扰。针对合龙段的配切，主要采用同里程坐标投影法来放样切割线，通过测量出固定环口各个特征角的三维坐标(x，y，z)，在合龙段切割段上对应找到各个特征角对应的相同的坐标值(x，y，h)，将各个各个投影点连接起来，即为切割范围，其存现场施工操作繁琐，精度受限，容易出错等问题，需要多次复核切割线。

发明内容

本发明提供一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法，以保证大跨度的异性钢结构桥梁合龙段安装精度、提升配切段放样及施工效率，保障桥梁顺利合龙。

为实现上述目的，拟采用这样一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法，该方法采用三维激光扫描仪全景高精细的扫描方式，建立大桥主体拱脚及提升段各个视角的3D点云数据，通过点云剔噪处理法提取拱脚及提升段的点云数据，点云分割法分离拱脚与提升段的点云数据，点云坐标平移法模拟出提升高度，点云空间分析法检测合拢段安装精度，点云投影法计算出配切区域，点云切割处理提取配切范围，提取出分割边界线，即为配切放样线，导出配切各个角的坐标值，用于现场直接放样配切。

具体如下：

1)点云数据采集

2)点云提升模拟

点云提升模拟，首先通过点云测量法，计算出任意合龙角之间的高差h₁，采用点云整体平移法，在点云属性中计算点云中心坐标值(x₁，y₁，z₁)，将其输入到平移坐标基准点下，设置x轴＝0、y轴＝0、z轴＝1，在平移值中输入h₁，将提升段的点云数据整体沿着z轴方向平移h₁ m，并新建平移后的点云数据，将原始地面的点云数据同步保留；

3)合龙精度检测

高差偏移检测，同时选着拱脚点云与模拟提升后的点云数据，设置点云空间分析为3D检测，设置基准方向为z轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在z轴方向上的误差；

平面偏移检测，同时选着拱脚点云与模拟提升后的点云数据，设置点云空间分析为2D检测，先设置基准方向为x轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在x轴方向上的误差；再设置基准方向为y轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在y轴方向上的误差；

角度翻转检测，在任意对角线上的两个合拢口上，将两个拱脚下环口下底边同一定点连成一条线，两个提升段下环口下底边同一定点连成另一条线，通过计算两条进行角度计算，从而得到拱脚与提升段在水平面上的扭曲角度θ，并在水平面方向调整扭曲角θ，得到最佳提升姿态；

4)配切段点云计算

配切点云分割，将任意合龙段的拱脚点云和提升模拟后的点云进行细部分割，保留距离环口50cm-100cm范围的点云数据，以拱脚点云数据为基准，采用点云投影计算法，将提升后的模拟点云投影到基准点云上，并沿着投影边界定义新的点云分割范围，将其分割独立成新的点云数据，即为配切段的点云数据，并进行标记；

配切点坐标计算，在切点点云模型上，采用三维坐标测量法，将环口上的8个角的坐标一一测量出来，并将坐标值导出，用于现场直接放样，采用此方法，同步计算出其余3个配切线的顶点坐标；

切割线放样，采用全站仪将各个环口上的顶点坐标逐一放样到提升段的环口上，结合尺寸用标记笔画出切割线。

步骤1)中，点云数据采集具体如下：

控制点布设，通过在既有施工坐标基础上，将控制点引入到大桥拱脚及提升段四周，并用全站仪测量出各个控制点的坐标。

点云数据扫描，采用自由设站方式，将扫描仪架设在能够查看任意2个已知控制点的区域，在后视点检测时，误差检查值不超过2mm，若误差超过2mm，需要重新设站观测后视点；

点云数据检查，在点云处理软件中，将各个测站的点云数据一次性导入，根据点云数据整体显示情况，查看不同视角采集的点云数据之间的匹配度，对于点云数据出现偏移、分层的数据，需要将对应测站的数据全部删除，并在现场重新采集，直到所有测站的点云数据匹配完全重合，且要全覆盖桥梁主体的各个区域。

步骤2)中，点云提升模拟还包括：

点云剔噪，通过点云删除法，结合点云数据的上下左右四个方向的显示范围，将主桥以外的所有点云全部删除；

点云分割处理，采用多边形全选提升段的点数数据，采用点云分割工具将其分割开，并对分割后的点云数据进行赋值命名；

提升高度优化，通过查看4个合龙段的各个边的点云数据在各个方向上的合龙线性和显示效果，对提升段点云数据进行优化模拟，模拟值先采用1cm的阶梯差进行上下平移处理，在合龙段的点云数据基本吻合后，在采用0.2mm的阶梯差进行平移优化，直到4个合龙段的点云数据在Z轴方向完全吻合，并记录模拟高度值，与原设计中的提升搞对进行对比，从而反推最佳提升时间。

与现有技术相比，本发明采用了三维激光扫描仪全景高精细的扫描方式，建立大桥主体拱脚及提升段各个视角的3D点云数据，通过点云剔噪处理法提取拱脚及提升段的点云数据，点云分割法分离拱脚与提升段的点云数据，点云坐标平移法模拟出提升高度，点云空间分析法检测合拢段安装精度，点云投影法计算出配切区域，点云切割处理提取配切范围，提取出分割边界线，即为配切放样线，导出配切各个角的坐标值，用于现场直接放样配切，具有数据真实可靠、数据精度高、全三维展示及移交、工作效率快等诸多优点，保证了国内首座非对称大跨度异型八面体系杆拱桥顺利提升合龙，其社会效益和经济效益显著，具有重要的指导意义和推广价值。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

参照图1，本实施例提供了一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法，具体如下：

(1)点云数据采集

控制点布设。通过在既有施工坐标基础上，将控制点引入到大桥拱脚及提升段四周，控制点尽可能多，保证扫描仪在后方交会计算测站坐标时的精度，并用全站仪测量出各个控制点的坐标。

点云数据扫描。采用自由设站方式，将扫描仪架设在能够查看任意2个已知控制点的区域，在后视点检测时，误差检查值不能超过2mm，若误差超过2mm，需要重新设站观测后视点，以保证多测站点云数据之间的配准精度。

点云数据检查。在点云处理软件中，将各个测站的点云数据一次性导入，根据点云数据整体显示情况，查看不同视角采集的点云数据之间的匹配度，对于点云数据出现偏移、分层的数据，需要将对应测站的数据全部删除，并在现场重新采集，直到所有测站的点云数据匹配完全重合，且要全覆盖桥梁主体的各个区域。

(2)点云提升模拟

点云剔噪。通过点云删除法，结合点云数据的上下左右四个方向的显示范围，将主桥以外的所有点云全部删除，避免其他点云数据对检测的结果的影响。

点云分割处理。由于初始点云数据是一个整体，不能直接对提升段进行模拟分析，为此需要将拱脚与提升段的点云数据分割开，采用多边形全选提升段的点数数据，采用点云分割工具将其分割开，并对分割后的点云数据进行赋值命名。

点云提升模拟。首先通过点云测量法，计算出任意合龙角之间的高差h₁，采用点云整体平移法，在点云属性中计算点云中心坐标值(x₁，y₁，z₁)，将其输入到平移坐标基准点下，设置x轴＝0、y轴＝0、z轴＝1，在平移值中输入h₁，将提升段的点云数据整体沿着z轴方向平移h₁ m，并新建平移后的点云数据，将原始地面的点云数据同步保留。

提升高度优化。通过查看4个合龙段的各个边的点云数据在各个方向上的合龙线性和显示效果，地提升段点云数据进行优化模拟，模拟值先采用1cm的阶梯差进行上下平移处理，在合龙段的点云数据基本吻合后，在采用0.2mm的阶梯差进行平移优化，直到4个合龙段的点云数据在Z轴方向完全吻合，并记录模拟高度值，与原设计中的提升搞对进行对比，为提升高度和速度提供重要的技术参数，从而反推最佳提升时间。

(3)合龙精度检测

由于钢结构在安装过程中，受施工组织、气温、风速、人工干扰等多种因素影响，在临时支架上安全装的提升段时会存在偏移，部分环口的接边会存在扭曲等问题，为了更好保证环口的合龙精度，需要对合龙模拟后的点云数据进行拼接检测

高差偏移检测。同时选着拱脚点云与模拟提升后的点云数据，设置点云空间分析为3D检测，基准方向与z轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在z轴方向上的误差。

平面偏移检测。同时选着拱脚点云与模拟提升后的点云数据，设置点云空间分析为2D检测，先设置基准方向为x轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在x轴方向上的误差；再设置基准方向为y轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在y轴方向上的误差。

角度翻转检测。在任意对角线上的2两个合拢口上，将2个拱脚下环口下底边同一定点连成一条线，2个提升段下环口下底边同一定点连成另一条线，通过计算两条进行角度计算，从而得到拱脚与提升段在水平面上的扭曲角度θ，并在水平面方向调整扭曲角θ，得到最佳提升姿态。

(4)配切段点云计算

配切点云分割。为了提高计算效率，将任意合龙段的拱脚点云和提升模拟后的点云进行细部分割，保留距离环口50cm-100cm范围的点云数据，以拱脚点云数据为基准，采用点云投影计算法，将提升后的模拟点云投影到基准点云上，并沿着投影边界定义新的点云分割范围，将其分割独立成新的点云数据，即为配切段的点云数据，并用其他颜色标记，便于区分。

配切点坐标计算。在切点点云模型上，采用三维坐标测量法，将环口上的8个角的坐标一一测量出来，并将坐标值导出，用于现场直接放样，采用类似方法，同步计算出其余3个配切线的顶点坐标。

切割线放样。采用全站仪将各个环口上的顶点坐标逐一放样到提升段的环口上，结合尺寸用标记笔画出切割线，便于工人现场实施。

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 (3)

1.一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法，其特征在于：该方法采用三维激光扫描仪全景高精细的扫描方式，建立大桥主体拱脚及提升段各个视角的3D点云数据，通过点云剔噪处理法提取拱脚及提升段的点云数据，点云分割法分离拱脚与提升段的点云数据，点云坐标平移法模拟出提升高度，点云空间分析法检测合拢段安装精度，点云投影法计算出配切区域，点云切割处理提取配切范围，提取出分割边界线，即为配切放样线，导出配切各个角的坐标值，用于现场直接放样配切;

具体包括：

1）点云数据采集

2）点云提升模拟

点云提升模拟，首先通过点云测量法，计算出任意合龙角之间的高差h₁，采用点云整体平移法，在点云属性中计算点云中心坐标值（x₁，y₁，z₁），将其输入到平移坐标基准点下，设置x轴=0、y轴=0、z轴=1，在平移值中输入h₁，将提升段的点云数据整体沿着z轴方向平移h₁m，并新建平移后的点云数据，将原始地面的点云数据同步保留；

3）合龙精度检测

高差偏移检测，同时选着拱脚点云与模拟提升后的点云数据，设置点云空间分析为3D检测，设置基准方向为z轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在z轴方向上的误差；

平面偏移检测，同时选着拱脚点云与模拟提升后的点云数据，设置点云空间分析为2D检测，先设置基准方向为x轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在x轴方向上的误差；再设置基准方向为y轴，对两组点云模型进行计算，并将合龙段的检测结果导出，以评定合龙段在y轴方向上的误差；

角度翻转检测，在任意对角线上的两个合拢口上，将两个拱脚下环口下底边同一定点连成一条线，两个提升段下环口下底边同一定点连成另一条线，通过计算两条进行角度计算，从而得到拱脚与提升段在水平面上的扭曲角度θ，并在水平面方向调整扭曲角θ，得到最佳提升姿态；

4）配切段点云计算

配切点云分割，将任意合龙段的拱脚点云和提升模拟后的点云进行细部分割，保留距离环口50cm-100cm范围的点云数据，以拱脚点云数据为基准，采用点云投影计算法，将提升后的模拟点云投影到基准点云上，并沿着投影边界定义新的点云分割范围，将其分割独立成新的点云数据，即为配切段的点云数据，并进行标记；

配切点坐标计算，在切点点云模型上，采用三维坐标测量法，将环口上的8个角的坐标一一测量出来，并将坐标值导出，用于现场直接放样，采用此方法，同步计算出其余3个配切线的顶点坐标；

切割线放样，采用全站仪将各个环口上的顶点坐标逐一放样到提升段的环口上，结合尺寸用标记笔画出切割线。

2.根据权利要求1所述一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法，其特征在于,点云数据采集具体如下：

控制点布设，通过在既有施工坐标基础上，将控制点引入到大桥拱脚及提升段四周，并用全站仪测量出各个控制点的坐标；

点云数据扫描，采用自由设站方式，将扫描仪架设在能够查看任意2个已知控制点的区域，在后视点检测时，误差检查值不超过2mm，若误差超过2mm，需要重新设站观测后视点；

点云数据检查，在点云处理软件中，将各个测站的点云数据一次性导入，根据点云数据整体显示情况，查看不同视角采集的点云数据之间的匹配度，对于点云数据出现偏移、分层的数据，需要将对应测站的数据全部删除，并在现场重新采集，直到所有测站的点云数据匹配完全重合，且要全覆盖桥梁主体的各个区域。

3.根据权利要求1所述一种3D扫描的钢结构合龙检测及配切方法，其特征在于,点云提升模拟还包括：

点云剔噪，通过点云删除法，结合点云数据的上下左右四个方向的显示范围，将主桥以外的所有点云全部删除；

点云分割处理，采用多边形全选提升段的点数数据，采用点云分割工具将其分割开，并对分割后的点云数据进行赋值命名；

提升高度优化，通过查看4个合龙段的各个边的点云数据在各个方向上的合龙线性和显示效果，对提升段点云数据进行优化模拟，模拟值先采用1cm的阶梯差进行上下平移处理，在合龙段的点云数据基本吻合后，在采用0.2mm的阶梯差进行平移优化，直到4个合龙段的点云数据在Z轴方向完全吻合，并记录模拟高度值，与原设计中的提升搞对进行对比，从而反推最佳提升时间。