基于实测点云的装配式铺面虚拟装配技术

焦 宝 赵基焕 赵鸿铎

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 上海 200092)

装配式铺面具有工厂化、标准化、机械化的特点，相比于传统的现浇水泥混凝土铺面，其建造速度快、工程质量高、施工过程绿色环保[1]，可作为铺面快速修复与改扩建的有效手段。

装配式铺面采用工厂预制，其现场安装的特点对施工精度有了更高的要求。如果板块的三维尺寸与装配空间不匹配，会给现场装配带来困难，严重时甚至会导致装配失败，影响工期和工程质量。采用虚拟装配技术，检验和评价路面结构的可装配性，提前发现可能出现的装配干涉，是提高装配式铺面施工效率，确保工程质量的有效手段。

装配式铺面的三维信息是虚拟装配的基础。三维激光扫描技术能快速得到目标海量、高精度的三维点云数据，是获取装配式铺面三维信息的较优选择。近年来，国外已有学者将三维激光扫描技术应用于装配式构件的三维尺寸校核中。Bosche等[2]人使用三维激光扫描仪对水泥混凝土墙面的平整度进行了评价，并在此基础上提取了圆柱体混凝土构件的几何尺寸。Kim等[3]利用点云数据的边缘检测与角点提取算法得到了装配式桥面板的几何尺寸，并进一步获取了装配式桥面板的空间位置，精度可达2 mm。Yoon等[4]通过三维激光扫描仪，识别了装配式桥面板及水泥混凝土梁间连接件的几何尺寸与位置，并分析了装配过程中的尺寸不匹配情况。上述研究结果证明了三维激光扫描技术在预制构件三维尺寸检测中的可行性和有效性，但其试验结果多基于室内试验，未使用工程现场的实测点云数据，且并未进一步考虑预制构件的虚拟装配过程。

本文使用三维激光扫描技术获取了装配式铺面施工现场的实测点云，通过采样、去噪、配准等预处理技术与特征提取算法实现了装配式铺面板和装配空间的三维重构。最后，基于CATIA软件，提出了装配式水泥混凝土铺面的虚拟装配方法，并通过装配干涉表给出了发生装配干涉时的施工解决方案。

1 装配式铺面三维信息的获取与处理

1.1 三维点云数据获取方法

本文选用基于干涉相位法的Focus3D X130三维激光扫描仪，对上海市某装配式铺面施工现场进行了三维扫描。该设备在中近距离具有较高的测量精度，可以满足装配式铺面对于点云数据精度和扫描速度的需求。扫描对象为装配式铺面板及装配空间。后续点云数据处理、三维重构及虚拟装配过程均基于该工程现场的实测点云数据。

由于测量视线遮挡等原因，单站测量往往不能获得全部的三维信息，故采用多站测量及后期配准的方式获取扫描对象完整的三维点云。本文对于装配式铺面和装配空间选用的测站数均为3站，不同测站间夹角约120°，扫描仪测距约为25 m，点云横、纵向的采样间隔均为5 mm。为确保点云数据配准的精确度，在相邻2个测站间的公共扫描范围内放置多个标靶球作为配准参照物，见图1所示。

图1 三维激光扫描仪及标靶球

1.2 装配式铺面点云处理方法

三维激光扫描仪获取的原始点云数据往往会包含很多扫描对象外的点云信息，无法直接应用于三维重构与虚拟装配。需要先对原始点云进行采样、去噪、配准拼接等处理。

1.2.1 点云降采样

装配式铺面的几何结构较为简单，并不适合直接使用原始的海量点云数据进行三维重构。一方面，大量的点云数据会严重影响装配式铺面三维重构的效率；另一方面，过高密度的数据并不能显著提高装配式铺面三维重构的精度，反而可能由于异常点的增多影响重构精度。

本文采用体素化网格法对点云进行采样。首先利用原始点云建立三维体素栅格，根据精度需求将栅格划分为若干个小栅格。依次计算各栅格内点云的重心，用重心点来替代栅格中的全部点云数据。该方法能够在保证点云形状特征及铺面板重构准确性的情况下，减少约70%的点云的数量。

1.2.2 点云去噪

原始点云中会不可避免地出现噪声，选择合适的去噪算法是确保三维重构精度的关键。点云数据中的噪声点主要包括离群点和主体点云表面上的噪声点两类。

离群点云可通过点云k近邻的平均欧式距离剔除。利用八叉树索引找出点云的k近邻，如果k近邻距目标点云的平均距离大于阈值，即认为该点为离群点。对装配式铺面基层点云进行离群点云过滤的效果图见图2，其中白圈部分即为筛选出的离群点云。

图2 离群点云过滤效果

贴合在主体点云表面上的噪声可采用双边滤波去除。双边滤波通过取采样点领域内的加权平均值来修正当前点，从而将点云数据中特征起伏比较剧烈的尖锐部分进行平滑，同时也会有选择地提出当前采样点差异过大的邻近点[5]。

双边滤波的迭代过程定义为

p=p+αn

式中：p为数据点；n为数据点p的法向量；α为双边滤波加权因子。

其中：N(pi)为数据点pi的邻域点集；ni为数据点pi的法向量；Wc为光顺滤波函数，Ws为特征保持权重函数。Wc和Ws都为高斯滤波函数，其定义分别为

Wc(x)=e-x2/2σc2

Ws(x)=e-x2/2σs2

式中：参数σc为空间域权重，控制滤波的程度；参数σs为特征域权重。

对基层点云使用σc=4，σs=2，m=30的双边滤波进行6次滤波迭代，过滤效果图见图3。由图3可见，双边滤波能够较好地去除基层点云表面的异常突起，并且较好地保留了基层表面的原有三维特征。

图3 双边滤波过滤效果

1.2.3 点云配准方法

点云数据在经过采样和去噪后，即可进行配准拼接，将多站测量的结果拼成完整的点云。

三维激光扫描仪一般通过标靶球法拼接多站点云。其原理是在相邻的2个连续测站之间的公共空间放置至少3个标靶球，扫描仪中配套的点云处理软件能够自动识别点云数据中的标靶球，进而完成配准拼接操作。

2 装配式铺面三维重构方法

2.1 装配空间的三维重构方法

装配式铺面的装配空间中包括基层和周边原位板块2类点云对象，在三维重构时需要对其进行分割处理。装配空间中基层与周边原位板侧面互相垂直，且单块板上的点云基本位于1个平面，因此，可通过平面提取分割出周边板的点云。

点云平面提取的实质是找出与平面距离小于阈值δ0的点。若平面参数矩阵为F=[abcd]T，则候选点的坐标Pi(xi，yi，zi)应满足

[xiyizi-1]F≤δ0

本文采用RANSAC算法，分割出周边原位板的点云。分割时，随机选取3个点计算出初始平面的参数矩阵，并筛选出位于该平面内的点云。重复选取平面的过程，并逐步合并相邻的平面(平面间夹角或距离小于阈值)。最终，装配空间点云的分割结果见图4，其中白色部分为基层点云，四周的浅灰色部分为周边原位板点云。

图4 装配空间点云分割结果

装配空间中，周边原位板的点云可直接用拟合平面重构；而基层的高程往往起伏不定，为了还原基层真实的三维信息，确保虚拟装配的有效性，采用基于三维Delaunay三角划分的曲面重建算法[6]进行精确的三维重构。装配空间的三维重构结果见图5。

图5 装配空间点云的三维重构结果

2.2 装配式铺面板的三维重构方法

相比于装配空间，装配式铺面板的几何形状较简单，若采用曲面重建算法建模效率过低。本文直接提取出装配式铺面板的边界和角点，采用几何建模法进行三维重构，重构过程见图6。

图6 装配式铺面板的三维重构

首先将铺面板的点云数据投影到XOY水平面，并以z值作直方图。取直方图突变处的z值作为阈值，即可提取出铺面板点云的边界。

铺面板的角点采用基于边界曲率的k-cosine法提取[7]。计算边界点的曲率时，首先要确定该点在边界线上的支撑区域。铺面板的边界线点云一般为直线，选取支撑区域的方法见图7[8]。

图7 支撑区域示意图

点Pi的支持区域由其邻近的2k+1个点组成。lik为支持区域端点Pi-k和Pi+k之间的弦长，dik为点Pi到弦Pi-k和Pi+k的距离。当下式任一条件满足时，即可确定k值与支撑区域的范围。

图8 边界点曲率计算图

筛选出曲率角大于阈值的候选角点，再通过距离阈值合并候选角点间距小于阈值的点，剩余的点即为最终角点。根据板块边界点云和角点的三维坐标，可直接构建板块的三维模型，在相应位置处添加预埋构件后即完成装配式铺面板的三维重构。

3 装配式铺面虚拟装配方法

本文在CATIA软件的数字化装配(DMU)模块中实现装配式铺面的虚拟装配。

3.1 装配约束关系及装配路径设计

装配约束关系的作用是约束各个模型的自由度及模型间相对位置，从而确保装配体的正常生成。装配式铺面板与预埋构件之间通过面相合约束、偏移约束和固定约束结合，板块之间通过接触约束和连接构件间的相合约束连接。为保证板块装配位置的准确性，在装配空间中选出一个参考平面，并在连接后的铺面板与参考平面间设置相合约束。

在对各模型完成约束添加后，对模型之间进行约束求解，获得每个模型在空间中的最终位置。之后进入CATIA的装配规划模式，根据实际施工的要求，设计出虚拟装配路径见图9。

图9 虚拟装配路径

3.2 装配干涉检测

装配干涉检测的目的是找出装配过程中模型间可能发生的几何冲突。虚拟装配主要对预制板与基层、预制板与周边板块、预制构件之间的装配干涉进行检测。结合装配式铺面的施工特点，在干涉查询表中提出干涉时的解决方案见表1。

表1 干涉查询表

注：(1)-预制板快与基层几何尺寸不匹配，需调整基层顶面高程；(2)-预制板块与周边板块几何尺寸不匹配，需对周边板块进行处理，扩大装配空间；(3)-接缝连接构件与预制板块干涉，需调整预制板块间相对位置；(4)-接缝连接构件与预制板块干涉，需调整接缝连接构件的位置或预制板块的装配位置；(5)-调平预埋构件与基层发生干涉，需整平构件下方的基层。

以预制板块与基层的装配干涉检测为例，其检测方法为：根据预制板块的板角坐标和板块设计高程，计算出预制板块底平面的参数，该平面称为虚拟装配面。以虚拟装配面为基准面，位于虚拟装配面之上的点云，即为可能发生装配干涉的区域。板块与基层发生装配干涉的示意图见图10，深色标记处即为可能发生装配干涉的区域。根据表1，此时需要对干涉区域的基层进行整平处理，并调整基层顶面的高程。

图10 板块与基层发生装配干涉示意图

4 结语

本文采用三维激光扫描仪获取了装配式铺面工程现场的实测点云。在完成原始点云预处理后，针对装配式铺面板与装配空间不同的几何特点，采用不同的方法实现了两者的三维重构。最后，在CITIA软件的装配环境下，研究了装配式铺面虚拟装配的装配约束建立方法与装配路径设计方法，提出了装配干涉的检测方法，并通过干涉查询表给出了相应的解决方案。

本文提出的虚拟装配技术精度高、检测效果良好，能够提前感知装配式铺面施工过程中可能存在的装配干涉问题，一定程度上提高了施工的精度与效率。目前本文仍存在一定的局限性：①点云数据的处理与虚拟装配过程需在内业进行，暂未实现施工现场的实时检测，需进一步优化点云处理和三维重构的方法，提升虚拟装配的效率；②三维激光扫描仪昂贵的价格一定程度上限制了虚拟装配技术的推广，可尝试使用深度相机等廉价的三维扫描设备。