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實(shí)物逆向工程中全站掃描儀精度分析

鄧念武，李萌

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072)

在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物施工過(guò)程中，為了加快施工進(jìn)度，越來(lái)越多地采用預(yù)制一定尺寸的鋼結(jié)構(gòu)，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝焊接等工序完成施工過(guò)程。為了監(jiān)控鋼構(gòu)在各種工況下的幾何形狀，可以利用儀器對(duì)鋼構(gòu)進(jìn)行掃描，然后對(duì)三維點(diǎn)云進(jìn)行過(guò)濾、簡(jiǎn)化、拼接和建模等，檢查構(gòu)件形狀和尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求，用以指導(dǎo)施工，提高工作效率。由于鋼結(jié)構(gòu)在制造、吊裝、焊接和拉索張拉等工況下對(duì)構(gòu)件的幾何形態(tài)有嚴(yán)格的要求，這給鋼構(gòu)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(diǎn)云掃描技術(shù)、圖像測(cè)量技術(shù)及強(qiáng)大的內(nèi)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(cè)回水平角和垂直角中誤差均小于1″，有棱鏡時(shí)測(cè)距精度達(dá)到1 mm+1.5×10-6D，無(wú)棱鏡測(cè)距精度達(dá)到2 mm+2×10-6D，并且具有自動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，可以自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和鎖定目標(biāo)。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(cè)量目標(biāo)處于陰影下，陰天、柯達(dá)灰白板(90%反射率)時(shí)的主要掃描指標(biāo)見(jiàn)表1。雖然其掃描速度沒(méi)有三維激光掃描儀快，但在掃描距離、測(cè)量精度上有非常大的優(yōu)勢(shì)，尤其是其測(cè)角精度有較大的提高，能獲得高精度和高密度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于MS50的點(diǎn)云掃描是基于全站儀的掃描模式，故點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接方式比較靈活，可以采用經(jīng)典的三維激光掃描儀的拼接方式，也可以采用具有統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的經(jīng)典測(cè)繪方式拼接。

表1　MS50全站掃描儀的掃描技術(shù)指標(biāo)

為了滿足鋼構(gòu)逆向工程的需要，必須對(duì)MS50掃描全站儀采集的數(shù)據(jù)和建立的模型進(jìn)行精度分析，判斷其是否滿足工程需求。平面重構(gòu)精度分析和斷面重構(gòu)后幾何尺寸精度分析是鋼構(gòu)逆向工程中的重要環(huán)節(jié)。

一、方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集

在大型鋼結(jié)構(gòu)中，為了建立其表面的幾何現(xiàn)狀，判斷其是否滿足工程需要，必須對(duì)掃描精度和建模精度進(jìn)行分析。平面重構(gòu)精度和斷面尺寸重構(gòu)精度是否滿足要求是鋼構(gòu)逆向工程成敗的關(guān)鍵。

1. 平面重構(gòu)精度分析實(shí)測(cè)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(duì)平面重構(gòu)的影響，在掃描如圖1所示的大型鋼構(gòu)平面?zhèn)葧r(shí)，分別在鋼構(gòu)右前方4、12、20 m的位置安置全站掃描儀，對(duì)如圖2所示指定區(qū)域1～6號(hào)區(qū)域進(jìn)行掃描。根據(jù)鋼構(gòu)大小，確定每塊區(qū)域?yàn)?.0 m×0.8 m。

圖1　掃描鋼構(gòu)實(shí)物　　　圖2　掃描區(qū)域點(diǎn)云示意圖

2. 斷面重構(gòu)后幾何尺寸精度分析實(shí)測(cè)方案

在鋼構(gòu)實(shí)物逆向工程中，需要模型能夠準(zhǔn)確反映鋼構(gòu)的斷面尺寸。為了達(dá)到所需要的效果，對(duì)圖3所示的斷面在左前方和右前方分別安置儀器進(jìn)行掃描，并利用后方交會(huì)的方法建立統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，以方便后續(xù)的點(diǎn)云拼接。

圖3　鋼構(gòu)小尺寸斷面實(shí)物

二、精度分析

影響單點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)精度的主要因素有：儀器本身的測(cè)量精度，被測(cè)物體的材料、粗糙度、顏色、光學(xué)性質(zhì)及表面形狀等，掃描距離，掃描入射角。影響模型重構(gòu)精度的因素主要有：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)量精度、掃描點(diǎn)間距、數(shù)據(jù)拼接時(shí)參考點(diǎn)的誤差、拼接誤差、數(shù)據(jù)處理時(shí)的濾波、簡(jiǎn)化引起的誤差，另外坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也會(huì)帶來(lái)一定的精度損失。

1. 平面重構(gòu)實(shí)測(cè)精度分析

將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行處理，通過(guò)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將點(diǎn)云通過(guò)參數(shù)化平面重構(gòu)方法擬合為平面，對(duì)點(diǎn)云與平面間距離誤差進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。圖4—圖6分別為全站儀與鋼構(gòu)距離為4、12、20 m時(shí)的誤差百分比柱狀圖。同時(shí)在去噪后利用最小二乘理論計(jì)算中誤差。表2為去噪后對(duì)應(yīng)的中誤差統(tǒng)計(jì)表。

圖4　全站儀與鋼構(gòu)距離為4 m時(shí)誤差百分比柱狀圖

圖5　全站儀與鋼構(gòu)距離為12 m時(shí)誤差百分比柱狀圖

圖6　全站儀與鋼構(gòu)距離為20 m時(shí)誤差百分比柱狀圖

mm

通過(guò)柱狀圖可知，測(cè)量誤差有明顯的統(tǒng)計(jì)特征，符合正態(tài)分布的規(guī)律。表2表明儀器與鋼構(gòu)距離為4 m時(shí)中誤差較大，最大為2.4 mm；儀器與鋼構(gòu)距離為12 m時(shí)中誤差最小，在1.2 mm以內(nèi)。當(dāng)儀器與鋼構(gòu)距離為20 m時(shí)，中誤差有增大的趨勢(shì)。

入射角對(duì)構(gòu)件掃描精度有一定的影響，在全站掃描儀與被測(cè)構(gòu)件距離較近(如表1中的距離為4 m)時(shí)，入射角較小時(shí)，精度明顯降低。在距離為4 m時(shí)的連續(xù)兩次試驗(yàn)都表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

實(shí)踐表明，如果測(cè)量距離和入射角選擇恰當(dāng)，平面重構(gòu)的中誤差會(huì)在1.2 mm以下，能滿足鋼構(gòu)逆向工程中平面擬合的需要。

2. 斷面重構(gòu)幾何尺寸精度分析

在鋼構(gòu)重構(gòu)時(shí)，為了能夠擬合到兩個(gè)面相交的直線，一方面將相鄰兩個(gè)面的數(shù)據(jù)同時(shí)采集，另一方面選取較小的采集點(diǎn)間距。本試驗(yàn)中選取的最大點(diǎn)間距為2 mm。對(duì)如圖3所示的10個(gè)構(gòu)件單元均進(jìn)行了兩次掃描(一次左前方、一次右前方)， 并采用后方交會(huì)方法建立統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行了高精度的拼接，通過(guò)點(diǎn)云過(guò)濾去噪、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、平面和直線生成、距離量取等處理，共量取了150個(gè)斷面尺寸。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與斷面模型尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到的尺寸差值如圖7所示。通過(guò)最小二乘理論計(jì)算得到斷面尺寸的中誤差為0.7 mm。

圖7　模型重構(gòu)后距離與實(shí)測(cè)距離差值

三、結(jié)束語(yǔ)

MS50全站掃描儀在測(cè)量目標(biāo)處于陰影下，陰天、柯達(dá)灰白板(90%反射率)時(shí)，50 m測(cè)量范圍內(nèi)掃描測(cè)量的點(diǎn)位誤差在1 mm以內(nèi)。在儀器誤差、外界環(huán)境等的綜合影響下，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，平面重構(gòu)精度可以達(dá)到1.2 mm，滿足大型鋼構(gòu)平面重構(gòu)的精度要求。

在進(jìn)行斷面重構(gòu)后斷面尺寸長(zhǎng)度精度分析時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、濾波、嚴(yán)密拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，模型重構(gòu)，模型和實(shí)物斷面尺寸量取分析，得到在掃描間距2 mm時(shí)，中誤差在0.7 mm以內(nèi)，完全可以滿足鋼構(gòu)斷面重構(gòu)的要求。

MS50掃描全站儀在鋼構(gòu)逆向工程中可以為檢驗(yàn)鋼構(gòu)實(shí)物的誤差、鋼構(gòu)吊裝、鋼構(gòu)焊接、拉索張拉等工況提供高精度的模型，為大型鋼構(gòu)的順利施工提供高質(zhì)量的幾何重構(gòu)模型。

(本專(zhuān)欄由徠卡測(cè)量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)

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