基于三维激光扫描技术在地铁竣工检测方向上应用及研究

高瑞金

江苏省南京工程高等职业学校 江苏 南京 211100

本项目主要介绍采用三维激光扫描技术应用在地铁竣工检测工作中的新技术方法，随着三维激光扫描技术的发展，逐渐开始在施工竣工检测中得到很好的应用，经过实际测试可得出三维激光扫描技术在高精度数据获取和检核对比设计图纸过程中具有良好效果，不仅仅区域数据齐全性问题[1]，而且具有较高的作业效率和数据精确度[2-4]。本文主要通过对三维激光扫描的外业作业流程、处理方法、对比方法及精度可用性，通过实际数据进行详细说明，总结此技术在此方面的应用的独特优势。

1 三维激光扫描原理与方法

1.1 三维激光扫描仪基本原理

三维激光扫描仪的工作过程，实际上就是一个不断重复的数据采集和处理过程，它通过具有一定分辨率的空间点（坐标x,y,z，其坐标系是一个与扫描仪设置位置和扫描姿态有关的仪器坐标系）所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果。三维激光扫描技术是将实体的三维复杂信息通过激光的捕获形成带有属性信息的实体三维点云模型，通过高速激光的扫描测量，获取目标的点、线、面、体、空间等三维实测数据进行高精度三维逆向建模，又称实景复制技术[5-7]。

1.2 数据处理方法

为了能够得到好的三维点云数据需要对采集的原始数据进行处理，数据处理通常包括各测站点云数据拼接配准、数据去噪和坐标转换等操作，数据拼接通过有多种方法，无目标拼接、有目标拼接以及采集过程实时自动处理拼接。

2 三维点云数据采集处理

2.1 研究项目概况

通过跨行业的技术融合将BIM信息化模型与逆向工程结合，利用精度达2mm的工业级Trimble X7三维激光扫描仪，对实际地铁站场景扫描，通过对扫描模型的测量实现全方位测量；在虚拟环境下仿真模拟实际检测过程，通过扫描模型与理论模型拟合对比分析，实现结构单元整体的数字预拼装。图1为整体技术流程。

图1 整体技术流程

2.2 外业数据采集

首先，工件的大小、位置、形状等情况，布设好各测站位置，规划扫描站数和需要测量的特征数据，确保获取的数据齐全、完整和可用。测站位置的布设要在地铁站内的多个角度分别架设扫描站，并且在远处尽量高的位置架设确保工件顶部可以获取完整数据，相临测站之间要具有一定重复性，可以在后期完成数据的整体拼接[8-9]。图2为Trimble X7三维激光扫描仪现场作业情况。

图2 实际地铁站数据采集

通过利用专业的三维数据处理软件，对点云进行后处理，将整体点云数据拼接、去噪、分割、抽吸、格式转换最终输出到检测软件polyworks中。

通过图3可知典型点云间隔分布在1-3mm左右，这种点间距主要依据扫描仪的挡位设定和扫描仪距离被测物体的距离，距离远近和挡位高低都会不同程度影像点云的整体密度和点间距。

图3 平均点间距量取

图4 整体点云展示

图5 设计模型与实际点云模型对比检测

3 研究成果分析

3.1 点云模型与设计模型拟合

数字化检测就是利用原始设计模型与扫描获取到的三维点云模型进行对比检测，在对工件进行检测时，需要将两种数据分别导入到检测软件中，由于两种属于不同类型数据，无法完全拼接，利用特征点选区的方法分别在三维点云模型数据上和设计模型上分别点同名点坐标，软件会根据所选取的点特征信息进行自动拟合对齐[10-12]。

3.2 点云模型与设计模型对比检测

预对齐后软件会自动作迭代计算精细对齐两个数据，并且可以通过设置最大距离，采样率等参数将对齐精度控制在理想范围。根据坐标系的坐标轴方向以及数据偏差调整的工艺装备的位置，直到测量数据在理论数据的尺寸公差范围内，进行外形尺寸检测以及质量控制，这种数字化测量方法使工作效率与检测精度大幅度提高[13]。

使用最佳拟合对齐数据创建数据彩图，具体的公差范围，色度带都可以自由定制，实现多种检测成果。这种检测方式可以将要检测的数据的单点位置、周围面积区域、大型冲压工件的曲面轮廓进行有效的检测,并且通过检测可以对构件部分原材料需预设反变形精度得到有效的控制。如图所示。

此时可以对选定的检测公共点进行检测测量，通过对比原始数字模型和虚拟三维点云模型，分析两者的偏差情况，对点云数据进行创建注释，可以显示任意一点的误差数值，并且可以自定义字段设置注释内容。如对工件定位角点、拐点、特征点、定位孔进行自定义标注检测[14-15]。

创建数据饼图，查看误差分布范围，可以合理评估整体施工质量。

3.3 检测结果分析

从图6可以直观分析出，该工件的质量整体误差，其中因两种模型的细节存在微结构差异，将标准参考值设定为0，整体质量误差分为-50mm到标准值0，0到正向误差50mm，其中误差中主要集中在30mm以内，并且占整体的80%，由此可以确定该工件是否符合理论设计要求[16-17]。

图6 检测参数设定

图7 三维坐标检测彩图

图8 误差统计饼状图

图9 特征结构检测点三维误差统计

图10 整体检测信息统计

4 总结

逆向检测工程设计是一项开拓性、创新性、实用性和综合性很强的技术，点云数据的采集及后续的处理是逆向工程中至关重要的一步。本文以实际项目应用为例，阐述了利用设计模型对实际扫描的三维点云数据对比检测的技术方案和基本原理，并对施工后的土建建筑设施质量精度做了详细的分析和论述，帮助竣工质检人员快速、准确的把控生产质量，大大提高整体地铁项目的施工和质检质量。地铁施工检测方向研究主要是通过三维激光扫描技术结合BIM技术，自动生成检测数字化模型，实现与理论模型数据拟合分析，软件自动进行误差计算。此种虚拟检测技术方法与传统人工全站仪或皮尺量测，具有较大的优势，尤其在复杂空间建筑结构尤其复杂的土建方面，采用模拟预拼装技术可以节省大量人工、措施及设备投入，且不占用预拼装场地，对提高钢结构预拼装质量、效率起到质的改变，是工厂逆向工程中最为至关重要的一个技术环节。