实物逆向工程中全站扫描仪精度分析

邓念武，李萌

(武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072)

在大型钢结构建筑物施工过程中，为了加快施工进度，越来越多地采用预制一定尺寸的钢结构，然后在现场进行吊装焊接等工序完成施工过程。为了监控钢构在各种工况下的几何形状，可以利用仪器对钢构进行扫描，然后对三维点云进行过滤、简化、拼接和建模等，检查构件形状和尺寸是否满足设计要求，用以指导施工，提高工作效率。由于钢结构在制造、吊装、焊接和拉索张拉等工况下对构件的几何形态有严格的要求，这给钢构逆向工程也提出了较高的精度要求。

MS50是集高精度智能全站仪、高精度点云扫描技术、图像测量技术及强大的内部处理程序于一体的全站扫描仪。一方面，作为高精度智能全站仪，其一方向一测回水平角和垂直角中误差均小于1″，有棱镜时测距精度达到1 mm+1.5×10-6D，无棱镜测距精度达到2 mm+2×10-6D，并且具有自动驱动马达，可以自动识别、跟踪和锁定目标。另一方面，作为高精度扫描仪，MS50可以提供4种扫描模式，在测量目标处于阴影下，阴天、柯达灰白板(90%反射率)时的主要扫描指标见表1。虽然其扫描速度没有三维激光扫描仪快，但在扫描距离、测量精度上有非常大的优势，尤其是其测角精度有较大的提高，能获得高精度和高密度的三维点云数据。由于MS50的点云扫描是基于全站仪的扫描模式，故点云数据的拼接方式比较灵活，可以采用经典的三维激光扫描仪的拼接方式，也可以采用具有统一坐标系统的经典测绘方式拼接。

表1　MS50全站扫描仪的扫描技术指标

为了满足钢构逆向工程的需要，必须对MS50扫描全站仪采集的数据和建立的模型进行精度分析，判断其是否满足工程需求。平面重构精度分析和断面重构后几何尺寸精度分析是钢构逆向工程中的重要环节。

一、方案设计及数据采集

在大型钢结构中，为了建立其表面的几何现状，判断其是否满足工程需要，必须对扫描精度和建模精度进行分析。平面重构精度和断面尺寸重构精度是否满足要求是钢构逆向工程成败的关键。

1. 平面重构精度分析实测方案

为了研究全站扫描仪、被扫描物体、扫描入射角、扫描距离等对平面重构的影响，在扫描如图1所示的大型钢构平面侧时，分别在钢构右前方4、12、20 m的位置安置全站扫描仪，对如图2所示指定区域1～6号区域进行扫描。根据钢构大小，确定每块区域为1.0 m×0.8 m。

图1　扫描钢构实物　　　图2　扫描区域点云示意图

2. 断面重构后几何尺寸精度分析实测方案

在钢构实物逆向工程中，需要模型能够准确反映钢构的断面尺寸。为了达到所需要的效果，对图3所示的断面在左前方和右前方分别安置仪器进行扫描，并利用后方交会的方法建立统一坐标系统，以方便后续的点云拼接。

图3　钢构小尺寸断面实物

二、精度分析

影响单点测量数据精度的主要因素有：仪器本身的测量精度，被测物体的材料、粗糙度、颜色、光学性质及表面形状等，扫描距离，扫描入射角。影响模型重构精度的因素主要有：单点测量精度、扫描点间距、数据拼接时参考点的误差、拼接误差、数据处理时的滤波、简化引起的误差，另外坐标转换也会带来一定的精度损失。

1. 平面重构实测精度分析

将扫描数据导入专业软件进行处理，通过三维坐标转换，将点云通过参数化平面重构方法拟合为平面，对点云与平面间距离误差进行分析统计。图4—图6分别为全站仪与钢构距离为4、12、20 m时的误差百分比柱状图。同时在去噪后利用最小二乘理论计算中误差。表2为去噪后对应的中误差统计表。

图4　全站仪与钢构距离为4 m时误差百分比柱状图

图5　全站仪与钢构距离为12 m时误差百分比柱状图

图6　全站仪与钢构距离为20 m时误差百分比柱状图

mm

通过柱状图可知，测量误差有明显的统计特征，符合正态分布的规律。表2表明仪器与钢构距离为4 m时中误差较大，最大为2.4 mm；仪器与钢构距离为12 m时中误差最小，在1.2 mm以内。当仪器与钢构距离为20 m时，中误差有增大的趋势。

入射角对构件扫描精度有一定的影响，在全站扫描仪与被测构件距离较近(如表1中的距离为4 m)时，入射角较小时，精度明显降低。在距离为4 m时的连续两次试验都表现出相同的规律。

实践表明，如果测量距离和入射角选择恰当，平面重构的中误差会在1.2 mm以下，能满足钢构逆向工程中平面拟合的需要。

2. 断面重构几何尺寸精度分析

在钢构重构时，为了能够拟合到两个面相交的直线，一方面将相邻两个面的数据同时采集，另一方面选取较小的采集点间距。本试验中选取的最大点间距为2 mm。对如图3所示的10个构件单元均进行了两次扫描(一次左前方、一次右前方)， 并采用后方交会方法建立统一坐标系统，进行了高精度的拼接，通过点云过滤去噪、数据精简、平面和直线生成、距离量取等处理，共量取了150个断面尺寸。将实测数据与断面模型尺寸数据进行比较，得到的尺寸差值如图7所示。通过最小二乘理论计算得到断面尺寸的中误差为0.7 mm。

图7　模型重构后距离与实测距离差值

三、结束语

MS50全站扫描仪在测量目标处于阴影下，阴天、柯达灰白板(90%反射率)时，50 m测量范围内扫描测量的点位误差在1 mm以内。在仪器误差、外界环境等的综合影响下，经过坐标转换，平面重构精度可以达到1.2 mm，满足大型钢构平面重构的精度要求。

在进行断面重构后断面尺寸长度精度分析时，通过数据采集、滤波、严密拼接、坐标转换，模型重构，模型和实物断面尺寸量取分析，得到在扫描间距2 mm时，中误差在0.7 mm以内，完全可以满足钢构断面重构的要求。

MS50扫描全站仪在钢构逆向工程中可以为检验钢构实物的误差、钢构吊装、钢构焊接、拉索张拉等工况提供高精度的模型，为大型钢构的顺利施工提供高质量的几何重构模型。

(本专栏由徕卡测量系统和本刊编辑部共同主办)

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