三维激光扫描仪在圆柱形构筑物垂直度检测中的应用
三维激光扫描仪在圆柱形构筑物垂直度检测中的应用
作者:丁克良;鲍东东;林俊华;王来阳;罗麒杰;
随着我国基础设施建设事业的飞速发展,各种 大型构筑物越来越频繁地出现在我们生活中,对于 一些大型的构筑物,如城市高层建筑、大型桥梁墩 柱等的安全检测是维护其日常使用的安全保障。常 见的监测内容包括垂直度检测、墙面平整度检测、水平位移监测和沉降监测等。在各种安全性检测当中,垂直度检测作为一项重要的检测指标,一直备受学者的关注。垂直度检测的检测方式有很多种,目前最常用的是使用全站仪获取构筑物的特征点坐标,结合前方交会法、固定天顶距法、投影法等方法进行检测,这些检测技术和方法虽然有着自身的优势,但是效率慢、自动化程度低、检测精度不稳定,已经无法完全满足大型构筑物的检测的需求。三维激光测距仪是一种获取三维空间信息的一种手段,近年来得到了长足发展。近年来许多学者对其在垂直度检测中方面的应用进行了研究。
本文结合具体的检测项目探讨了利用地面三维激光扫描仪技术对圆柱形构筑物垂直度检测的数学模型、方法、流程、精度评定等垂直度检测相关问题,并尝试采用稳健估计方法消除、减弱构筑物表面损伤所带来的粗差对检测结果的影响。
1立柱垂直度检测
1. 1立柱概况
本次垂直度检测的对象选取位于北京建筑大学 大兴校区基础楼的圆柱形支柱。该支柱为承重柱,支柱设计半径为 1. 21m,高 21. 5m, 材质为混凝土,按照常规方法难以准确对垂直度进 行检测。
1. 2 检测方案设计及实施
检测所使用的仪器为 RIEGL VZ-1000 型号的地面三维激光扫描仪,其角度分辨率为 1. 8″,测距精度为 2mm /50m。结合现场的实际情况,在立柱的周围共设置三个测站,每一测站用时约 15min,以确保获取完整的立柱三维坐标点云模型。此外,为方便后续点云数据拼接,本次检测在立柱的四周布设四个标靶球,并且确保相邻两测站至少可以同时观测到三个同名标靶球。
为进行对比分析,利用 LeicaTS06 全站仪的圆柱偏心测量程序对立柱进行同步观测,其测角精度为 2″,无棱镜测距精度为 2mm + 2ppm。全站仪观测共架设四测站,确保同一立柱的不同观测测站之间的夹角大于 90°。
1.3 数据预处理
对单测站采集的三维点云数据进行配准,获得立柱整体的三维点云模型,使用三维点云数据处理软件 RISCAN PRO 对三个测站的数据进行配准工作,图 5 所示为配准后的整体立柱点云模型,之后删除立柱周围的非相关点云数据,提取立柱的三维数据。
在外业扫描的过程中,由于仪器本身条件限制和周围环境的影响,扫描得到的数据具有许多噪声点,其中包括周围环境的噪声点、立柱的体外孤点和非连接项,如图 6 所示,深色部分为扫描的噪声点,使用 Geomagic Studio 软件对拼接后的点云图形做去噪处理,提高数据的精准度。
1.4截面信息提取
由于三根立柱的分析方法相同,本文只对一号立柱的截面点云数据进行处理,以一号立柱的点云的垂直情况,本次检测从立柱高度的 1m 处,每隔1m 做截面曲线处理并重新生成点,获取各截面曲线的点云数据,并导出截面曲线上点的坐标,图 8所示为截取的立柱表面各截面数据,根据截面点的坐标可以对其进行拟合计算,从而进一步分析一号立柱的垂直度。
2稳健最小二乘拟合
支撑柱在长期遭受风力、雨水等自然环境的长时间侵蚀下,会出现表面自然脱落等损伤情况,这些损伤部位在拟合的过程中会对拟合结果带来误差,影响检测结果的质量,我们称这些损伤部位生成的点的坐标为粗差。采用传统的最小二乘、平均值和三点定圆等方法进行拟合处理则无法消除这些粗差点对拟合结果的影响,从而降低检测结果的精度和质量。本次检测采用稳健最小二乘选权迭代拟合法进行拟合,可以消除因柱体表面损伤带来的对精度的影响。
2.2截面拟合
使用自编 MATLAB 程序按照 2. 1 节的模型对一号立柱的各个截面点云数据进行拟合。图 9 为一号立柱底部拟合图,根据以 2σ 为误差限的要求,箭头所指的细线部分的点云数据误差较大,为立柱表面受损的部位,即粗差,在拟合过程中被剔除,粗线部分为参与拟合计算的三维点云数据,中心点为拟合的初始圆心点。
为了详细展示点云数据的拟合过程,对每一次 迭代得到的圆心坐标进行统一绘制,如图 10 所示, 为立柱 1m 处截面圆拟合过程图,本次拟合共对圆心进行了 10 次迭代,空心点为每一次迭代后的圆心点,实心点为拟合后的最终 圆心点。经计算,立柱底部截面拟合后的圆心坐标 为 ( - 0. 0069,0. 0152) ,半径为 0. 6053m。
3垂直度分析
对于圆柱形构筑物的垂直度检测,可以通过截 面中心点坐标的水平偏移量和倾斜度来进行描述, 现以拟合后的各截面圆的圆心为中心点坐标进行分 析和计算。
3.1垂直度计算方法
点 P0 为顶截面的中心,点 P 为底截面的中心,P1 为 P0 在底面的垂直投影。当P1 与P 两点不重合时,说明此节段倾斜,此时,设 P 与 P1 的横坐标之差为 ΔX,P1 与 P 的纵坐标之差为 ΔY,则:ΔX = XP - XP
3. 2 数据分析
在垂直度检测中,水平偏移量和倾斜度是衡量 构筑物安全性的重要指标。对拟合后的各截面中心 点坐标进行分析,计算各截面中心相对于高度 1m 截面中心的水平偏移量和倾斜。表 1 所示为拟合后的各截面中心点坐标和计算后的偏移量、倾斜度。
ΔX 较 ΔY 变化趋势明显,结合项目检测实例,立柱主要往东方向倾斜。立柱整体偏移量为 19. 8mm,整体倾斜度为 0°03'25″。为了更加直接地反映立柱偏移量和立柱倾斜度随着高度不同的变化情况和趋势,以截面高度为横坐标,分别以偏移量和倾斜度为纵坐标绘制折线统计图,图 12 为立柱各截面中心的偏移量随高度变化的折线图,立柱各截面中心的倾斜率随高度变化的折线图。从图中可以看出随着高度的增加,立柱的中心点偏移量越来越大,整体的变化趋势可以近似地看做是一条直线,而立柱的倾斜度是随着高度的增加越来越小且趋于稳定。
3. 3对比分析
现将三维激光扫描仪扫描数据的分析结果与同步观测的全站仪的检测结果做对比,全站仪的检测位置高度与三维激光扫描仪的 2m、7m、12m、17m、21m 处的截面相吻合。如表 2 所示,结果表明,二者的检测结果近似一致,二者之间微弱的偏差是由于前者的检测结果剔除掉了粗差的影响。此外,由于受仪器的限制,全站仪无棱镜测距获取的坐标仅精确到 2mm,因此中心点坐标只能精确到毫米级,并且采用偏心测量法多余观测量少,受粗差的影响较大,其检测实际精度更低,而采用三维激光扫描仪获取的数据丰富,采用稳健最小二乘拟合算法剔除了粗差的影响,得到的结果更优。
4结论
与传统的垂直度检测手段和方法相比,将地面 三维激光扫描仪应用于圆柱形构筑物的垂直度检测 具有较为明显的优势,它可以在极短的时间内获取 大量的三维点云数据,效率、精度和自动化程度高, 避免了环境和人为因素对观测数据的影响; 结合稳健估计选权迭代的方法后,可以有效剔除由于圆柱 形构筑物表面的损伤所带来的粗差的影响,从而得 到最佳的各截面中心点坐标,提高检测的精准度和 可信度; 此外,通过三维激光扫描仪得到的构筑物点云数据模型,可以从中提取数据并以多种不同的 格式输出,从而满足不同项目的应用需求,为其他 的检测项目提供数据支持,具有很高的复用率。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除