三维立体激光扫描技术在大型钢结构构件质量检测中的应用

三维激光测量扫描图像技术是近年出现的一项工业高新技术，该技术采用高速三维激光技术扫描图像测量的多种方法，可大面积地快速准确获取被动检测测量对象表面的空间三维坐标图像数据，大量地主动采集被测空间立体的点位坐标信息，快速准确获得被动检测测量对象物体表面每个不同采样点上的空间立体点位坐标。

1??原理解析

三维激光扫描检测技术是使用设备内部的一个激光发射脉冲作发射器，向一个被检目标发射一束三维激光脉冲，通过反光镜旋转，发射器放出的激光发射脉冲自动扫描相关目标，信号源的接收器自动接收激光反射器发回的激光发射脉冲，自动实时记录相关脉冲数据，包括每个点的激光发射脉冲从目标发射地点到被检探测物体的表面，通过其返回扫描设备所需的时间获取目标物体到激光扫描设备中心的时间距离为s。激光扫描脉冲控制处理模块对每个云点激光扫描脉冲的一个水平横向扫描角度为α和一个竖向水平扫描角θ分别进行自动控制，云点经后台处理软件自动进行解析运算，得出扫描目标的相对三维空间坐标，即一个云点经多次转换后在绝对三维坐标系中表现为其在三维空间中位置的绝对坐标或云点模型（图1）。

图1??三维激光扫描原理示意

三维激光扫描作业主要依据以下规范：GB 50300—2013《建筑工程施工质量验收统一标准》、CHZ 3017—2015《地面三维激光扫描作业技术规程》、GB 50017—2014《钢结构设计规范》、GB 50026—2007《工程测量规范》。

2??观测结果及分析

国家会议中心二期主体结构地上5层，高55?m，采用平板式筏板建筑基础。±0.000标高相当于绝对标高55.200?m，室外地坪标高相当于绝对标高55.800?m。使用天宝-TX8高精度三维激光扫描仪，其最大激光扫描半径为500?m，测距扫描精度最高为2?mm，最快扫描测速为97.6万点/s，可快速利用全方位非金属接触对建筑钢结构及墙体表面材料进行高标准精度激光扫描。

为及时获得完整、全面、连续、关联的目标点云对象数据，需对每个目标点云对象数据进行一次多角度、多方位的数据扫描。根据实际使用情况布设多个站点，需确保每两个站点同时进行拼接的单个站点间均有至少40%的重合利用区域。在站点与其他目标扫描对象间，应尽量避免任何杂物直接遮挡，尽可能保持视野开阔并保持扫描角度良好，还应尽量避免外线光源等其他自然因素对站点扫描的不良影响。

本次扫描试验钢结构整体建筑长15?m，宽5?m，内部有3排方形钢柱将整体建筑分为4部分，试验采用8次扫描设站，在建筑长度大致为10?m宽处作为建筑中点，在中点左右两侧5?m宽处依次设站对该建筑整体进行一次全方位扫描。

应用Scene点云拼接处理得到一张钢结构三维点图云，在三维点云数据拼接处理过程中，由于在一个视点的图像扫描中，各站点获取的三维点云拼接数据都会存在一定的拼接偏差，若将其全部拼接在一起可能会直接造成三维点云数据拼接的巨大误差，而采用Scene软件的计算点云高度拼接计算模块，可自动分析计算点云拼接时各站所可能产生的误差（图2）。

图2??三维激光扫描实现云数据模型输出的过程

使用三维激光扫描仪进行数据采集，通过相关软件进行数据处理创建交付成果。在Cyclone中进行点云的导入、拼接、去噪、导出，应用CloudWorx for AutoCAD点云应用扩展软件，实现点云数据模型的调用和输出。

图3为钢结构构件模拟安装实例。

（a）      （b）

（c）      （d）

（e）      （f）

（g）      （h）

（i）

图3??使用三维激光扫描进行钢结构模拟安装的过程

（a）根据现场钢结构位置确认扫描位置；（b）将扫描仪放置选点位置进行数据采集；（c）将数据导入软件中完成自动拼接；（d）点云去噪优化，得到钢结构点云模型；（e）将预制构件点云导入Cyclone3DR；（f）通过清除/分离功能对扫描构件进行去噪；（g）通过匹配功能识别构件对接点；（h）依次对对接面的点进行坐标选取；（i）完成对接，得到拼接成果

通过分析拼接精度报告，可看出在所选的所有点中，最大3D均差为5?mm，最小仅0.02?mm，平均小于 2?mm，可满足钢结构的对接精度要求。

点云扫描结果如图4所示。

图4??扫描结果（计算机截图）

3??结束语

采用三维激光扫描仪对钢结构主体进行建筑形变建模测量，通过对钢梁、钢柱变形进行建模测量分析和变形精度控制分析，证明将三维激光变形扫描检测技术用于钢结构及建筑物的变形测量检测是可行的，满足实际生产过程中钢结构建筑的变形测量检测及精度控制要求。基于钢梁曲面模型建模，能直观地通过分析算出各种钢梁的横向挠度值和变形，提升钢梁测量处理效率。