CN106251402B - 填筑工程填筑施工三维模型构建、密实度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明首先公开一种填筑工程填筑施工三维模型构建方法。该方法以填筑施工过程不同阶段填筑区真实地面点云数据为基础，建立三维立体模型。所得三维模型是填筑料随施工过程体积变化的实景复制，包含信息准确丰富，可应用于填筑施工后的多种检测、设计工程。本发明还公开一种填筑工程碾压密实度检测方法。该方法在已构建的不同施工阶段三维模型上划分出立体单元，再利用三维模型构建方法所提供的填筑材料体积变化的精确数据结合填筑材料质量数据，测算填筑区每立体单元填筑碾压的密实度值。进一步将测算密实度与控制标准比较，可检测每立体单元碾压密实度达标情况。该方法能够实时、直接、精确、快速、无损毁地获取每一局部的碾压密实度，指导施工。

Description

填筑工程填筑施工三维模型构建、密实度检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，特别是涉及一种基于构建填筑工程填筑施工三维模型构建方法与碾压密实度检测方法，属于建筑工程领域、检测技术领域。

背景技术

建筑工程的填筑施工中填料摊铺碾压后的碾压密实度是施工质量检测的关键指标之一，表征现场压实后的密度状况。碾压密实度须满足设计指标，且压实度越高，密度越大，材料填筑后的整体性能越好。

申请号为2013101579089，申请公布号为CN 103255755A的中国发明专利公开了一种快速实时评价土石料填筑压实质量的无损方法。该方法基于振动辗振动压实原理，实时监测振动辗传给被碾压土石体的有效压实能量，通过建立常用压实指标(相对密度、压实度等)对应的等效能量(阀值)评判准则，判断土石料的密实程度。该方法的技术缺陷主要在于：该方法为间接测量法，装置过于复杂，需要测量多个参数，且要准确获取每一个参数值是困难的(如E_A值就只能近视获取)，实际施工工况非常复杂，该方法的可行性不高。另外该方法测量的是施工区的整体平均碾压密实度，无法实时获取任意局部的碾压密实度来指导施工。现有技术《综合物探在高速公路路基密实度检测中的应用》一文(《工程地球物理学报》2005年04期)公开了一种采用基于瞬态瑞雷波横波速度与路基土碾压密实度之间的对应关系，通过反演横波波速来检测高速公路路基密实度的方法。该方法的技术缺陷在于：其一、瞬态瑞雷波横波速度与路基土碾压密实度之间的对应关系是不确定的，受填筑料泊松比、含水率等参数影响，其关系式难以准确确定；其二、瑞雷波横波波速反演的误差较大，导致碾压密实度检测质量精度不高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种利用三维点云数据实现的土石填筑工程碾压施工三维模型构建方法，以及利用该方法实现的碾压密实度检测方法，该方法能够克服现有技术中土石坝碾压密实质量检测存在的损毁性、滞后性和较大误差等缺陷。

为实现上述目的，本发明首先提供一种填筑工程填筑施工三维模型构建方法，其技术方案如下：

填筑工程填筑施工三维模型构建方法，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S101、确定填筑区A边界；

步骤S102、用三维扫描仪扫描填筑区A与填筑区周围非填筑施工区域，建立填筑前点云数据；

步骤S103、在填筑区填筑填筑材料；

在填筑区填筑填筑材料，所述填筑填筑材料是在填筑区摊铺和/或碾压填筑材料；

步骤S104、用三维扫描仪扫描填筑区A与填筑区周围非填筑施工区域，建立施工后点云数据；

步骤S105、拼接点云数据

将步骤S104所得施工后点云数据拼接到步骤S102所得填筑前点云数据中，得到拼接后点云数据；

步骤S106、建立立体模型

以填筑前填筑区地表扫描点云为底面，以拼接后的施工后填筑区地表扫描点云为顶面，建立填筑材料填筑施工后立体模型。

利用上述方法可建立起填筑工程填筑施工后三维模型。该三维模型是以填筑施工过程(摊铺前、摊铺后和/或碾压后)施工区真实地面点云为基础建立的，能够精准反映施工过程地面相对位置(高程)的变化情况。本发明方法建立的三维模型实际上是填筑材料随施工过程体积变化的实景复制，能够精准地量测出填筑料体积随施工过程的变化值。

上述三维模型构建方法，在点云拼接中采用ICP算法能够提高结果精度。

以上述填筑工程碾压施工三维模型构建方法为基础，本发明同时提供一种填筑工程碾压密实度检测方法，其技术方案如下：

一种填筑工程碾压密实度检测方法，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S201、前期工作

确定填筑区A边界，从工程现场获取填筑材料质量m；

步骤S202、用三维扫描仪扫描填筑区A与填筑区周围非填筑施工区域，建立填筑前点云数据；

步骤S203、在填筑区摊铺填筑材料；

步骤S204、用三维扫描仪扫描填筑区A与填筑区周围非填筑施工区域，建立摊铺后点云数据；

步骤S205、碾压填筑区填筑材料；

步骤S206、用三维扫描仪扫描填筑区A与填筑区周围非填筑施工区域，建立碾压后点云数据；

步骤S207、拼接点云数据

依次将步骤S204所得摊铺后点云数据、步骤S206所得碾压后点云数据拼接步骤S202所得填筑前点云数据中，得到拼接后点云数据；

步骤S208、建立立体模型与立体模型单元

以填筑前填筑区地表扫描点云为底面，以拼接后的摊铺后填筑区地表扫描点云为顶面，建立填筑材料摊铺后立体模型D₁，测量摊铺后立体模型总体积V_摊；以拼接后的碾压后填筑区地表扫描点云为顶面，建立填筑材料碾压后立体模型D₂；采用网格划分法，分别将填筑材料摊铺后立体模型D₁与填筑材料碾压后立体模型D₂按相同点位划分成底面边长为1的正四棱柱立体模型单元，每个立体模型单元分别编号为及与其分别对应的测量每个立体模型单元体积；

步骤S209、计算立体模型单元碾压密实度

根据式1、式2计算每个立体模型单元碾压密实度

式中，ρ_摊——填筑材料平均摊铺密度，单位g·m^-3，依式1计算确定，

——摊铺后立体模型单元体积，单位m³，由步骤S9确定，

m——填筑材料质量，单位t，由步骤S201确定，

V_摊——摊铺后立体模型总体积，单位m³，由步骤S208确定，

——碾压后立体模型单元体积，单位m₃，由步骤S208确定。

上述检测方法基本技术原理在于：(1)本方法首先通过3D扫描仪扫描对象(包括填筑区在各工序后的空白填筑区、摊铺填筑区、碾压填筑区，以及填筑区周围非填筑施工区域)表面后采集的资料集合。扫描资料以点的型式记录，每一个点的数据包含有三维坐标值与激光反射强度信息，前者在后续计算使用，后者主要用于分辨填筑区域、靶标的信息。扫描得到的每一组点云数据建立在不同的坐标系之下，通过点云拼接将其转换与同一坐标系下。(2)点云拼接是将靶标作为控制点，采用基于点信息的拼接方法(ICP算法)或基于几何特征信息的拼接方法将填筑区摊铺后点云数据与碾压后点云数据转换到填筑前点云数据坐标***之下。拼接后得到的各组点云数据(即各工序后扫描所得点云数据)分别包含了填筑区各点在新坐标系(即填筑前所在坐标系)下的三维坐标值信息。在拼接过程中，具体以“周围”点云(即每一次扫描分别得到的填筑区周围非填筑施工区域)作为公共部分来拼接的。由于填筑区地形随着施工进程变化，不是公共部分，因而不参与拼接计算。(3)以拼接后点云数据与填筑区填筑前点云数据为基础，采用诸如Delaunay三角网法、NURBS曲面法、隐式曲面法等常规方法建立网格模型可以分别测量填筑料摊铺后以及碾压完成后的体积，再根据现场获取的填筑料的质量，就可依式1算出填筑材料平均摊铺密度ρ_摊。进一步地，将填筑料摊铺后以及碾压完成后三维模型按相同点位切割成底面边长为1的正四棱柱立体模型单元(所得与是同底不等高的直棱柱)，再根据式2即可算出每一个局部的碾压密实度。

上述检测方法，在点云拼接中采用ICP算法能够提高结果精度。在网格模型建立中采用Delaunay三角网法能够提高结果精度。

上述检测方法可以进一步完成填筑工程碾压密实度达标检测，其技术方案是：上述填筑工程碾压密实度检测方法中：

步骤S201中，除确定填筑材料质量m外，还根据工程设计标准确定填筑碾压密实度控制指标ρ₀；

步骤S209后实施例步骤S210压实质量检测标记

将每个立体模型单元碾压密实度与碾压密实度控制指标ρ₀比较，若标记为压实质量不达标，若标记为压实质量达标。

在优选条件下，上述方法可以做如下优化：在步骤S210、压实质量检测标记中，采用RGB色彩模式对每个立体模型单元及 赋色，根据色彩差异检测标记压实质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明的填筑工程填筑施工三维模型建立方法利用点云数据包括的信息能够精确反映施工各工序中填筑区地面相对位置(高程)的变化情况，从而反映施工质量。在此基础上建立的三维模型是填筑料随施工过程体积变化的实景复制，包括各点三维坐标与强度的信息，可应用于填筑施工后的多种检测、设计工程。(2)本发明的填筑工程碾压密实度检测方法相比于传统的坑测法及各种间接测量法，该方法能够实时、直接、精确、快速、无损毁地获取每一局部的碾压密实度，指导施工。

附图说明

图1是填筑区范围及靶标布设示意图。

图2a是摊铺前扫描点云(P₁、P₂)图。

图2b是图2a局部放大图。

图3是摊铺后扫描点云(P₃、P₄)图。

图4是碾压完成后扫描点云(P₅、P₆)图。

图5是点云拼接示意图。

图6是摊铺模型及碾压完成模式相对关系示意图。

图7是摊铺切割单元模型示意图。

图8是基于RGB色差梯度的碾压密实度标记示意图。

附图中的数字标记分别是：

A填筑区B₁、B₂、B₃靶标

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图4所示，用本发明方法检测西南某在建碾压堆石坝工程反滤料3填筑工序中的碾压密实度。

步骤S201、前期工作

确定填筑碾压密实度控制指标ρ₀、填筑材料质量m。根据工程设计标准确定填筑碾压密实度控制指标ρ₀＝2.30g·m^-3，从工程现场获取填筑材料质量m＝612.180t；

标注填筑区A与靶标B。如图1所示。确定填筑区A的边界。在填筑区边界周围非填筑施工区域设置3个靶标B₁、B₂、B₃，靶标均匀布设。根据一般技术规范，靶标具体设置位置在距离填筑区边界不小于5倍靶标的高度，不超过2倍填筑区的宽度。

步骤S202、建立填筑前点云数据

用三维扫描仪扫描填筑区A与包括所有靶标在内的填筑区周围非填筑施工区域，建立填筑前点云数据。填筑前点云数据包括填筑区填筑前点云数据P₁、包括所有靶标在内的填筑区周围非填筑施工区域点云数据P₂。

例如，点云数据P₁、P₂如图2a、图2b所示。图2a所示被扫描地表点数据的集合，图2b是图2a的局部放大图。P₁是被扫描地表点数据的集合，每个点数据包含以扫描仪中心为坐标原点的三维坐标信息。如图2b中，点O的(x,y,z)三维坐标是(44.705,339.378,-64.121)。

步骤S203、在填筑区摊铺填筑材料

将反滤料3摊铺在填筑区A中。

步骤S204、建立摊铺后点云数据

用三维扫描仪扫描填筑区A与包括所有靶标在内的填筑区周围非填筑施工区域，建立摊铺后点云数据。摊铺后点云数据包括填筑区摊铺后点云数据P₃、包括所有靶标在内的填筑区周围非填筑施工区域点云数据P₄；

点云数据P₃、P₄如图3所示。

步骤S205、碾压填筑区填筑材料

依照常规工程施工方法碾压摊铺的反滤料3。

步骤S206、建立碾压后点云数据

用三维扫描仪扫描填筑区A与包括所有靶标在内的填筑区周围非填筑施工区域，建立碾压后点云数据。碾压后点云数据包括填筑区碾压后点云数据P₅、包括所有靶标在内的填筑区周围非填筑施工区域点云数据P₆。

点云数据P₅、P₆如图4所示。

步骤S207、拼接点云数据

如图5所示。以靶标B₁、B₂、B₃为基准，依次将步骤S204所得填筑区摊铺后点云数据P₃、P₄、步骤S206所得碾压后点云数据P₅、P₆拼接到步骤S202所得填筑前点云数据P₁、P₂中。

拼接计算中只对点云数据P₂、P₄、P₆的公共部分进行。经过拼接后，步骤S204所得摊铺后点云数据、步骤S206所得碾压后点云数据都分别统一到步骤S202所得填筑前点云数据所在的坐标系下，即拼接后得到点云数据P₁、P₂、P₃′、P₄′、P₅′、P₆′，每组点云数据包含各点在新坐标系(P₁、P₂所在坐标系)下的三维坐标值信息。

本实施方式中，点云拼接计算采用常规迭代法，以摊铺前点云P₂与摊铺后点云P₄的拼接为例，具体算法过程示例如下：

假设摊铺前点云P₂与摊铺后点云P₄的扫描重叠区域为M，M中任意一点在P₂、P₄上位置分别为x_i，y_i；n≤n_max为迭代次数；Rⁿ，Tⁿ为2个点云数据集间的第n次旋转矩阵和平移矩阵。第n次迭代过程如下：

(1)计算n-1次迭代后两组点云重叠区M的最邻近点P₄ ⁿ＝Γ(P₄ ^n-1，P₂)，使得P₄ ⁿ中M处的每一个点与P₂中的同名点距离最近；

(2)计算第n次旋转矩阵和平移矩阵Rⁿ，Tⁿ，即满足函数取最小值的解；

(3)变换P₄ ⁿ，P₄ ⁿ⁺¹＝RⁿP₄ ⁿ+Tⁿ；

(4)当ω(Rⁿ,Tⁿ)-ω(R^n-1,T^n-1)≤δ，或者n＞n_max时迭代结束，式中δ为欧氏距离均方差阈值，n_max为最大迭代次数。

步骤S208、建立立体模型与立体模型单元

如图6所示。以填筑前填筑区地表点云P₁为底面，以摊铺后填筑区地表点云P₃′为顶面，建立填筑材料摊铺后立体模型D₁，测量摊铺后立体模型总体积V_摊＝300.79m³；以填筑前填筑区地表点云P₁为底面，以碾压后填筑区地表点云P₅′为顶面，建立填筑材料碾压后立体模型D₂。采用网格划分法，分别将填筑材料摊铺后立体模型D₁与填筑材料碾压后立体模型D₂按相同点位划分成底面边长为1m的正四棱柱立体模型单元，每个立体模型单元分别编号为及测量每个立体模型单元体积。

本实施方式中，采用Delaunay三角网法建立三维模型。例如，如图7：

步骤S209、计算立体模型单元碾压密实度

根据式1计算得到反滤料3平均摊铺密度再根据式2计算每个立体模型单元碾压密实度例如，

步骤S210、压实质量检测标记

将每个立体模型单元碾压密实度与碾压密实度控制指标ρ₀比较，若标记为压实质量不达标，若标记为压实质量达标。

实施例二

如图8所示，用本发明方法检测西南某在建碾压堆石坝工程反滤料3填筑工序中的碾压密实度，其与实施例一相同之处不再赘述，其不同之处在于步骤S210。

步骤S210、压实质量检测标记

采用RGB色彩模式对每个立体模型单元及赋色。RGB色差梯度设置规则是：碾压密实度的单元为合格区，标注为黑色(RGB(0,0,0))；平均摊铺密度ρ_摊为红色(RGB(255,0,0))；碾压密实度的单元为不合格区，标注为不同红色(RGB(0,0,0)～RGB(255,0,0))，其值越小颜色越深。黑色(RGB(0,0,0))与红色(RGB(255,0,0))间设9个色差梯度(RGB(0,0,0)，RGB(31,0,0)...RGB(255,0,0))。各不合格立体模型单元色差取值方法是：先采用公式计算出RGB的计算值，再判断该值属于哪两个色差梯度范围内，最后取较大的色差梯度值为该单元RGB的取值。

例如则为色差第二级，取RGB(63,0,0)。

根据赋色确定反滤料3填筑碾压密实度分布情况(如图8)，确定需要重新碾压的区域。

Claims (7)

1.填筑工程碾压密实度检测方法，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S201、前期工作

确定填筑区A边界，从工程现场获取填筑材料质量m；

步骤S202、用三维扫描仪扫描填筑区A与填筑区周围非填筑施工区域，建立填筑前点云数据；

步骤S203、在填筑区摊铺填筑材料；

步骤S204、用三维扫描仪扫描填筑区A与填筑区周围非填筑施工区域，建立摊铺后点云数据；

步骤S205、碾压填筑区填筑材料；

步骤S206、用三维扫描仪扫描填筑区A与填筑区周围非填筑施工区域，建立碾压后点云数据；

步骤S207、拼接点云数据

将步骤S204所得摊铺后点云数据、步骤S206所得碾压后点云数据拼接到步骤S202所得填筑前点云数据中，分别得到拼接后的摊铺后点云数据、拼接后的碾压后点云数据；

步骤S208、建立立体模型与立体模型单元

以填筑前填筑区地表扫描点云为底面，以拼接后的摊铺后填筑区地表扫描点云为顶面，建立填筑材料摊铺后立体模型D1，测量摊铺后立体模型总体积V_摊；以填筑前填筑区地表扫描点云为底面，以拼接后的碾压后填筑区地表扫描点云为顶面，建立填筑材料碾压后立体模型D2；采用网格划分法，分别将填筑材料摊铺后立体模型D1与填筑材料碾压后立体模型D2按相同点位划分成底面边长为1的正四棱柱立体模型单元，每个立体模型单元分别编号为及与其分别对应的 测量每个立体模型单元体积；

步骤S209、计算立体模型单元碾压密实度

根据式1、式2计算每个立体模型单元碾压密实度

式中，ρ_摊——填筑材料平均摊铺密度，单位g·m^-3，依式1计算确定，

——摊铺后立体模型单元体积，单位m³，由步骤S208确定，

m——填筑材料质量，单位t，由步骤S201确定，

V_摊——摊铺后立体模型总体积，单位m³，由步骤S208确定，

——碾压后立体模型单元体积，单位m³，由步骤S208确定。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S201中，还根据工程设计标准确定填筑碾压密实度控制指标ρ₀；所述步骤S209后实施例步骤S210：

步骤S210、压实质量检测标记

将每个立体模型单元碾压密实度与碾压密实度控制指标ρ₀比较，若标记为压实质量不达标，若标记为压实质量达标。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S210中，采用RGB色彩模式对每个立体模型单元及赋色，根据色彩差异检测标记压实质量。

4.根据权利要求3所述的检测方法：其特征在于：所述步骤S210中，碾压密实度的单元为合格区，标注为黑色RGB(0,0,0)；平均摊铺密度ρ_摊标注为红色RGB(255,0,0)；碾压密实度的单元为不合格区，标注为红色RGB(0,0,0)～RGB(255,0,0)，其值越小颜色越深。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：不合格立体模型单元RGB色差取值方法是：首先在黑色(RGB(0,0,0))与红色(RGB(255,0,0))间设多个色差梯度，其次依式计算出RGB的计算值，再判断该计算值属于哪两个色差梯度范围内，最后取较大的色差梯度值为该单元的RGB色差取值。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S207、拼接点云数据采用ICP算法。

7.根据权利要求1～6任一所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S208中，采用Delaunay建立立体模型。