CN114485438A

CN114485438A - 一种大型模块钢结构圆立柱间距测量方法

Info

Publication number: CN114485438A
Application number: CN202210014094.2A
Authority: CN
Inventors: 杨潇; 李树国; 蒋春霞; 邓海龙
Original assignee: Bomesc Offshore Engineering Co Ltd
Current assignee: Bomesc Offshore Engineering Co Ltd
Priority date: 2022-01-06
Filing date: 2022-01-06
Publication date: 2022-05-13

Abstract

本发明公开了一种大型模块钢结构圆立柱间距测量方法，通过使用三维扫描技术对立柱进行全方位扫描，然后通过拼接、去噪、简化点云数据等处理得到立柱完整的点云，选取立柱底部位置甲板平面点云数据通过最小二乘法拟合得到基准拟合平面并转换坐标系，使用基准拟合平面截取立柱获取点云切面圆，通过计算得到立柱底端切面圆圆心坐标，根据圆心坐标计算各个立柱的间距。本发明通过三维扫描技术解决传统立柱间距测量时产生的检测效率低以及检测范围受限同时存在安全隐患的问题，具有较大检测范围、操作简便测量速率高、极大提高立柱检测效率及检测范围等优点。

Description

一种大型模块钢结构圆立柱间距测量方法

技术领域

本发明涉及工程测量技术，特别涉及一种大型模块钢结构圆立柱间距测量方法。

背景技术

随着技术的迭代更新，大型海工模块的建造方法也日益改进，为了高效率、高质量的建造海工模块，需要将海工整体模块拆分成单层片结构，最后整体组装完成，对于海工钢结构上部模块都是多层钢结构组成，其的主要由甲板片以及立柱构件组成，层与层之间的主要承重的任务就落在了立柱构件上，其立柱构件安装的精度匹配尤为重要，分别通过立柱与立柱之间下端口的间距反映立柱安装精度，因此立柱间距的测量是不可或缺的一环。

现有立柱间距测量的传统方法主要有两种方法，第一种是人工拉尺，操作时需要两名测量员配合进行，两人分别在两个被测立柱端口，通过尺子工具测量间距，由于模块大且内部结构复杂，测量精度很容易被影响。第二种是全站仪在每根圆柱上取多点，然后进行拟合圆心，求出立柱下端口的圆心坐标，通过每个立柱圆心坐标求得柱间距，在模块上测量大量立柱时使用全站仪测量需要频繁转站，过多的遮挡物也同样会使拟合出立柱圆心数据受到影响，并且全站仪取点如果要保证精度就得需要人工辅助贴点，这同样会加大安全隐患，同时在需要进行大量测量任务的时候单点测量的方式效率会受到极大影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种大型模块钢结构圆立柱间距测量方法，本发明测量方法通过三维扫描技术解决传统立柱测量时产生的操作繁琐、人力物力成本高且容易产生安全隐患的问题，具有几乎没有任何安全隐患、操作简单测量速度快、大大提高立柱检测效率等优点。

本发明应用三维激光仪在圆形立柱和立柱底部安装平面上取海量点云数据，通过立柱底部平面点云数据生成横截面截取立柱底部点云数据，将三维空间圆转化为二维平面圆，再用最小二乘法进行圆心拟合，求出各个立柱底部圆心坐标，最后计算各个立柱底部圆心间的距离。采用三维扫描技术的优点是不需要人工进行辅助，不需要搭设脚手架，几乎没有任何安全隐患，测量速度快，测量范围广，大大提高立柱检测效率。

本发明所采用的技术方案是：一种大型模块钢结构圆立柱间距测量方法，包括以下步骤：

步骤1，使用三维扫描仪通过分站扫描的方式对模块待测量层的甲板上表面和该甲板上的待测量立柱进行扫描，直至完成甲板上表面和立柱的全部扫描，其中，每站扫描获得部分甲板上表面点云数据和部分立柱点云数据；

步骤2，将每站获得的部分甲板上表面点云数据和部分立柱点云数据进行拼接，得到模块待测量层的完整点云数据，所述模块待测量层的完整点云数据包括该层甲板上表面完整点云数据和立柱完整点云数据；

步骤3，选取甲板上表面完整点云数据，通过最小二乘法对甲板上表面进行平面拟合，得到基准拟合平面；

步骤4，将基准拟合平面沿立柱高度方向移动至立柱下端口位置得到立柱下端口拟合平面，获取立柱下端口拟合平面上的各个立柱的点云数据，该点云数据称为切面点云数据；

步骤5，通过最小二乘法将各个立柱的切面点云数据进行拟合，得到立柱下端口拟合平面上的各个立柱的切面圆，提取每个切面圆的圆心坐标；

步骤6，计算各个切面圆圆心之间的距离，从而获得各个立柱之间的距离；

步骤7，判断各个立柱之间的距离是否符合要求，并对不符合要求的立柱进行调整。

进一步地，步骤1中，在使用三维扫描仪对模块待测量层的甲板上表面和该甲板上的立柱进行扫描之前，确认待测量层的每个立柱均没有遮挡物，并且，确保甲板以及每个立柱处于静止状态。

进一步地，步骤1中，对于每一个立柱，通过立柱四周各个位置对立柱进行扫描，以确保每个立柱的点云数据完整。

进一步地，步骤7中，所述的判断各个立柱之间的间距是否符合要求为：计算立柱之间的距离与理论间距之间的误差值，判断误差值是否在允许差值内，对于误差值在允许差值内的相邻立柱判定为符合要求的相邻立柱，对于误差值超过允许差值的相邻立柱判定为不符合要求的相邻立柱。

本发明的有益效果是：在不需要多人辅助以及规避一定的测量人员作业时的风险的情况下，通过三维扫描技术对结构圆形立柱间距测量，实现高效率，高精度的检测。通过三维扫描技术和后期点云数据处理技术得到立柱的三维实景模型，进行数据提取和分析后得到精准直观的立柱间距数据，便于后期现场施工人员调整和安装立柱，极大的提高立柱检测效率和立柱安装效率。

附图说明

图1：本发明实施例所涉及的大型海工模块单层片的主要结构图；

图2：根据本发明方法所获取的各个立柱点云数据图；

图3：本发明中平移基准拟合平面截取立柱切面点云数据示意图；

图4：本发明中各个立柱底端的切面点云数据；

图5：本发明中立柱1的切面点云数据及拟合切面圆；

图6：本发明实施例立柱间距测量结果；

图7：本发明实施例立柱间距误差范围图；

图8：本发明立柱间距检测示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明用于对大型海工多层钢结构模块的各分层的立柱间距进行测量，本实施例中，以其中一个分层为例对本发明测量方法进行说明，如图1所示，该分层中，共设26个立柱。

本发明通过三维扫描技术解决传统立柱间距测量时产生的检测效率低以及检测范围受限同时存在安全隐患的问题，提供一种有较大检测范围，操作简便测量速率高，极大提高立柱检测效率及检测范围的方法，该方法通过使用三维扫描技术对立柱进行扫描，然后通过点云数据拼接、去噪、简化等处理得到立柱完整的点云，选取立柱底部位置甲板平面点云数据通过最小二乘法拟合截面并转换坐标系，以截面为基础移动截面获取立柱底端点云切面圆，通过计算得到立柱底端切面圆圆心坐标，根据圆心坐标计算各个立柱的间距。具体测量方法如下：

步骤1，测量前确保模块待测量层的所有立柱是通视的状态且立柱整体没有遮挡物，并且，确保甲板以及每个立柱处于静止状态。使用三维扫描仪通过分站扫描的方式对模块待测量层的甲板上表面和该甲板上的待测量立柱进行扫描，直至完成甲板上表面和立柱的全部扫描，其中，每站扫描获得部分甲板上表面点云数据和部分立柱点云数据。扫描前，根据立柱在模块中的定位选择测站位置和扫描参数，三维扫描仪调平后开始进行立柱和甲板扫描。扫描过程中确保每个扫描站都有连贯性，扫描站与扫描站之间要有共同面确保后期整个模块点云拼接完整。对于立柱，扫描时应保证围绕立柱四周的各个位置进行扫描，确保整个模块上各个的立柱点云数据扫描完整，根据现场情况通过调整三维扫描仪分辨率参数进行加密扫描。本发明选取的三维扫描仪为FARO FOCUS S350三维激光扫描仪，它的最快测量速度为976000pts/秒，测距误差为±1mm，自带双轴补偿器对每次扫描进行水平校准，350m的超大扫描范围满足现场测量要求。后续选用FARO SCENE对获得的点云数据进行处理，FARO SCENE是一款与FARO FOCUS S350三维激光扫描仪搭配的多功能点云处理软件，提交点云数据的处理效率，通过现场补偿获取质量最佳的数据。

步骤2，将扫描完成的点云数据通过PC导入FARO SCENE软件进行拼接，查看FAROSCENE软件的拼接报告，根据报告调整拼接参数，确保拼接完成后的拼接精度在±3mm之内。得到满足拼接误差的点云数据后通过FARO SCENE软件的编辑功能将点云数据中除立柱和甲板以外的多余点云裁剪删除，得到模块待测量层的完整点云数据(包括该层甲板上表面完整点云数据和立柱完整点云数据)。图2为处理后的立柱点云。

步骤3，选取裁剪后的甲板的完整点云数据，由于甲板点云数据的高程是不固定的，需要通过最佳平面方程进行计算来到最佳平面(即，基准拟合平面)，计算出的最佳平面作为坐标系的XY平面，同时也是截取立柱的横截面，最佳平面方程为：

z＝ax+by+c

式中，(x，y，z)为笛卡尔坐标系下坐标，a、b、c为三个代求参数，通过运用最小二乘方法进行计算：

式中，(x_i，y_i，z_i)为立柱底部位置处甲板点云数据中的第i个点云数据坐标，其中，i＝1,2,…,n，n为立柱底部位置处甲板点云数据的总个数，

为所有测量点距离最小二乘面偏差值的平方和，根据最小二乘原理，使

最小，对a、b、c分别求导，然后置零：

然后计算最佳平面的三个参数a、b、c：

计算得到，坐标原点(原点选定在甲板上的定向点)距离最佳平面的距离为：

由此可以获得最佳平面(即，基准拟合平面)。

步骤4，将坐标系的XY平面和基准拟合平面进行对齐，假设基准拟合平面标高为0mm，即，基准拟合平面上的点Z值均为0，如图3所示，将基准拟合平面沿立柱高度方向移动至立柱下端口位置得到立柱下端口拟合平面，获取立柱下端口拟合平面上的各个立柱的点云数据，该点云数据称为切面点云数据，如图4所示。本实施例中，选取标高为+200mm作为立柱下端口位置，即，高于基准拟合平面200mm处为立柱下端口位置，在标高为+200mm的立柱下端口拟合平面上的点Z值均为200。

步骤5，通过最小二乘法将各个立柱的切面点云数据进行拟合，得到立柱下端口拟合平面上的各个立柱的切面圆，如图5所示，并提取每个切面圆的圆心坐标。计算最佳圆心坐标方程为：

x²+y²+dx+ey+f＝0

式中，d、e、f为待求参数。

式中，δ为圆周点与最佳圆周偏差值平方和，(x′_j，y′_j)为所计算的切面圆的点云切面数据中的第j个点云数据坐标，其中，j＝1，2，...，m，m为所计算的切面圆的点云切面数据总个数。

根据最小二乘原理，为使δ最小，令δ对d、e、f分别求导：

由此可以计算圆的参数d、e、f：

最终求得圆心为：

(x+0.5d)²+(y+0.5)²＝1/4d²+1/4e²-f

x′₀＝-1/2d，y′₀＝-1/2e

式中，x′₀为最佳圆心坐标x值，y′₀为最佳圆心坐标y值。

再加上步骤4计算得到的Z值坐标，即最佳圆心的三维坐标，如下表所示：

表1圆柱底部圆心坐标(单位：mm)

步骤6，根据拟合出的切面圆圆心，以四个顶点的立柱圆心为基础，选取东西和南北方向最远的两根立柱圆心与之进行连线，连出的两条直线即为X轴和Y轴，根据现场模块实际方向将整体点云数据进行定向，确保立柱的排列和现场立柱排列方向一致，将拟合出的立柱切面圆圆心的X、Y坐标导入至CAD，在CAD上测量各个立柱底端切面圆圆心间距，如图6所示，图6中所有数值都以毫米(mm)为单位。各个切面圆圆心间距即为各个立柱之间的距离。

步骤7，根据项目规格书的要求制定立柱间距误差范围图，如图7所示，图7中上方的数字“40000”表示立柱1和立柱4、立柱5和立柱6、立柱7和立柱8、立柱9和立柱12、立柱13和立柱14、立柱15和立柱18、立柱19和立柱22、立柱23和立柱26的理论间距；

数字“14000”表示立柱1和立柱2、立柱3和立柱4、立柱9和立柱10、立柱11和立柱12、立柱15和立柱16、立柱17和立柱18、立柱19和立柱20、立柱21和立柱22、立柱23和立柱24、立柱25和立柱26的理论间距；

数字“12000”表示立柱2和立柱3、立柱10和立柱11、立柱16和立柱17、立柱20和立柱21、立柱24和立柱25的理论间距；

图7中右侧的数字“58000”表示立柱1和立柱26、立柱2和立柱25、立柱3和立柱24、立柱4和立柱23的理论间距；

数字“10000”表示立柱15和立柱22、立柱16和立柱21、立柱17和立柱20、立柱18和立柱19的理论间距；

数字“8000”表示立柱1和立柱6、立柱6和立柱7、立柱7和立柱12、立柱12和立柱13、立柱13和立柱18、立柱19和立柱26、立柱20和立柱25、立柱21和立柱24、立柱22和立柱23、立柱14和立柱15、立柱9和立柱14、立柱8和立柱9、立柱5和立柱8、立柱4和立柱5的理论间距。

对于图7中带“+”符号的数字，横向上，“+22”表示立柱5和立柱6、立柱7和立柱8、立柱13和立柱14的实际间距与理论间距的允许差值为22mm；

“+8”表示立柱1和立柱2、立柱3和立柱4、立柱9和立柱10、立柱11和立柱12、立柱15和立柱16、立柱17和立柱18、立柱19和立柱20、立柱21和立柱22、立柱23和立柱24、立柱25和立柱26的实际间距与理论间距的允许差值为8mm；

“+6”表示立柱2和立柱3、立柱10和立柱11、立柱16和立柱17、立柱20和立柱21、立柱24和立柱25的实际间距与理论间距的允许差值为6mm。

竖向上，“+12”表示立柱2和立柱11、立柱3和立柱10的实际间距与理论间距的允许差值为12mm；

“+8”表示立柱11和立柱17、立柱10和立柱16的实际间距与理论间距的允许差值为8mm；

“+5”表示立柱15和立柱22、立柱16和立柱21、立柱17和立柱20、立柱18和立柱19的实际间距与理论间距的允许差值为5mm；

“+4”表示立柱1和立柱6、立柱6和立柱7、立柱7和立柱12、立柱12和立柱13、立柱13和立柱18、立柱19和立柱26、立柱20和立柱25、立柱21和立柱24、立柱22和立柱23、立柱14和立柱15、立柱9和立柱14、立柱8和立柱9、立柱5和立柱8、立柱4和立柱5的实际间距与理论间距的允许差值为4mm。

图7中所有数值都以毫米(mm)为单位。

参考立柱间距误差范围图输出立柱底端间距测量报告提供现场参考，并根据立柱间距误差范围图判断测量得到的立柱间距与对应的理论间距之间的误差值是否在允许差值内，对于误差值超过允许差值的相邻立柱，可以输出调整方案给现场施工人员进行调整。

图8为立柱间距检测示意图，其中的三个圆分别是立柱3、立柱4、立柱5底端的切面圆，这三个圆都是立柱底端对应标高处的点云数据拟合而成，图中7999数值为立柱4和立柱5底端的实际间距，14001数值为立柱3和立柱4底端的实际间距。

本发明采用三维扫描技术的优点是在不需要人工辅助，规避了存在的安全隐患，精度不会受到频繁转站叠加误差影响，通过扫描仪的测量高效率，高精度，从而大大提高立柱间距的检测效率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大型模块钢结构圆立柱间距测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的大型模块钢结构圆立柱间距测量方法，其特征在于，步骤1中，在使用三维扫描仪对模块待测量层的甲板上表面和该甲板上的立柱进行扫描之前，确认待测量层的每个立柱均没有遮挡物，并且，确保甲板以及每个立柱处于静止状态。

3.根据权利要求1所述的大型模块钢结构圆立柱间距测量方法，其特征在于，步骤1中，在使用三维扫描仪通过分站扫描的方式对模块待测量层的甲板上表面和该甲板上的待测量立柱进行扫描的过程中，确保每个扫描站都有连贯性，扫描站与扫描站之间有共同面。

4.根据权利要求1所述的大型模块钢结构圆立柱间距测量方法，其特征在于，步骤1中，对于每一个立柱，通过立柱四周各个位置对立柱进行扫描，以确保每个立柱的点云数据完整。

5.根据权利要求1所述的大型模块钢结构圆立柱间距测量方法，其特征在于，步骤7中，所述的判断各个立柱之间的间距是否符合要求为：计算立柱之间的距离与理论间距之间的误差值，判断误差值是否在允许差值内，对于误差值在允许差值内的相邻立柱判定为符合要求的相邻立柱，对于误差值超过允许差值的相邻立柱判定为不符合要求的相邻立柱。