楊三元，龔權華

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，海上風電業(yè)務呈爆發(fā)性增長，施工區(qū)域由淺水區(qū)到深水區(qū)推進，樁基規(guī)格越來越長、越來越重，對于單樁基礎結構風機來說，單樁的軸線垂直度是關系施工質量和風機運行安全的重要參數(shù)，根據(jù)海上風電場單樁施工技術要求，鋼管樁沉樁允許偏差：平面允許偏差臆50 cm，高程允許偏差臆5 cm，樁軸線垂直度臆0.275%[1-2]。因此，對超大直徑管樁垂直度的控制，不僅要求在施工過程中對單樁垂直度實施進行監(jiān)測控制，而且對大直徑鋼管樁的出廠質量檢測提出了更高的要求，需要對鋼管樁的單樁長度、單樁外徑、斷面橢圓度、中軸線彎曲度、法蘭面橢圓度、法蘭面平整度、法蘭內(nèi)傾斜等質量參數(shù)進行檢測。

目前常規(guī)的出廠檢測方法為全站儀觀測法。全站儀觀測法是一種傳統(tǒng)的單點測量方法，通過測量鋼管樁典型位置的測點對整體結構屬性進行推算，由于大直徑鋼管樁直徑為5~8 m，長度達60 m以上，結構尺寸較大，受加工誤差、鋼管樁局部變形等因素的影響，離散的單點測量無法完整的描述鋼管樁結構的完整屬性，因此，雖然全站儀觀測法的單點測量精度較高，但是整體鋼管樁檢測精度不能滿足要求[3]。

3D視覺檢測技術是一種光學測量技術，近年來發(fā)展很快。光學測量又分主動測距法和被動測距法[4]，其中單目立體視覺、多目立體視覺屬于被動測距法。主動測量法包括結構光法、激光雷達測距法和三角測距法，其中三維激光雷達測距法又稱“實景復制”技術，利用激光傳播特性，密集的記錄被測結構的表面三維坐標、反射率和紋理信息，不需要進行灰度圖像的獲取和分析[5]，可快速準確地獲取被測物體表面完整的三維信息，實現(xiàn)高精度逆向三維建模及重構[6]，對模型進行分析處理，可以得到單樁質量檢測所需要的數(shù)據(jù)信息。三維激光雷達測距法是非接觸式測量、數(shù)字化程度高、可擴展性強，輸出信號為數(shù)字信號便于后期數(shù)據(jù)處理、分析、顯示，因此本項目選擇三維激光雷達測距法作為主要觀測手段。

1 超大直徑鋼管樁質量檢測系統(tǒng)

基于3D視覺檢測技術的超大直徑鋼管樁質量檢測系統(tǒng)以三維激光雷達測距法為核心，系統(tǒng)分外業(yè)點云數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和模型分析3部分，掃描儀選擇徠卡P40，掃描速率為1 000 000 p/s，具有毫米級的測量精度，噪音精度為0.4 mm@10 m，0.5 mm@50 m，精度滿足檢測要求。

2 外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場鋼樁擺放位置，結合掃描儀的作業(yè)范圍，在鋼管樁周圍確定5個觀測站點，通過多站掃描并拼接完成一個完整構件的方法實現(xiàn)三維點云數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)采用自由架站方式，無需另外布置控制網(wǎng)及其他定位方式，測站位置可根據(jù)現(xiàn)場實際情況擺放，掃描范圍能覆蓋整個樁外輪廓即可，單測站作業(yè)時間約為8 min，整個外業(yè)數(shù)據(jù)信息采集過程共設置5站，大概需要40 min即可完成，作業(yè)效率相對于常規(guī)的全站儀觀測法優(yōu)勢較為明顯，而且不受周邊復雜地形影響，站點布設靈活方便。

3 點云數(shù)據(jù)處理

對于外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集的過程來說，測站采集的每根樁的數(shù)據(jù)都是獨立的坐標系，即以設備中心所處的空間位置（即激光束發(fā)射處）為坐標原點的位置，X軸和Y軸位于設備橫向掃描面內(nèi)，Z軸為垂直向上的右手坐標系。為分析完整結構信息，需要把各測站的點云數(shù)據(jù)整合在同一個坐標系內(nèi)，并且是受儀器本身、掃描環(huán)境、目標結構表面介質等多個因素的影響，數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)需要去除，因此需要對原始的點云數(shù)據(jù)進行處理，具體步驟如下：

1）點云降噪

外業(yè)獲得的原始點云數(shù)據(jù)不可避免地會產(chǎn)生噪聲點，噪聲本身是受多方面的影響產(chǎn)生的[7]，一方面硬件本身的精度誤差，會出現(xiàn)噪聲，為儀器系統(tǒng)誤差。另一方面是受被測構件的外輪廓材質對激光的吸收強度、粗糙程度、反射率等因素影響產(chǎn)生的誤差。最后是環(huán)境因素或者偶然因素引起的不可預測的誤差。點云降噪是數(shù)據(jù)預處理中的基本操作，能有效提高后期點云分割、配準、識別等操作成果的質量。降噪的方法一般有離群去噪、平滑去噪、統(tǒng)計去噪等幾種，通過對大直徑鋼管樁的點云噪點特性進行分析，采用離群去噪和平滑去噪結合的方式進行降噪處理可以得到較好的處理效果[8]。

2）點云配準

點云配準就是將多個測站測得的多視角點云數(shù)據(jù)拼接成一個整體，配準方法一般有基于ICP（Iterative Closest Point Algorithm）配準和基于特征點配準兩種方法，ICP配準是一種通過重復進行選擇對應關系點對進行的迭代最近點算法。該算法通過反復計算剛體變換，發(fā)現(xiàn)滿足正確配準收斂精度要求項，從而找到待配準點云數(shù)據(jù)與參考云數(shù)據(jù)之間的旋轉參數(shù)R和平移參數(shù)T，致使R和T在某種度量準則下達成最優(yōu)。但是本算法需要提供一個較好的初值，一個好的初值對于加快ICP的收斂過程也十分重要，另外點對點的計算量十分大，因此本系統(tǒng)采用基于特征點配準結合ICP算法的方式進行配準，就是在鋼管樁周圍擺放標靶，標靶做為初始的特征點進行配準，可實現(xiàn)配準效率和精度的最優(yōu)化處理。

3）建模

通過點云配準可以將多測站點云數(shù)據(jù)拼接成一個整體，此時所有的點云數(shù)據(jù)配準到同一個坐標系下，導入三維建模軟件，可以生成一根和現(xiàn)實中鋼管樁對應的數(shù)字鋼管樁，它可以完整反映被測鋼管樁的結構特性，因此可以通過對數(shù)字鋼樁進行多維度、多視角檢測，可以反映現(xiàn)實世界中鋼管樁的生產(chǎn)質量情況。

4 模型分析

通過對國華東臺四期（H2）300 MW海上風電場的單樁進行三維激光掃描，設計樁長57 815 mm，設計直徑為5 500 mm，壁厚65 mm，采用8個定制鞍座支撐的方式存放在堆場，根據(jù)實測的三維數(shù)據(jù)生成數(shù)字鋼管，并對數(shù)字鋼管樁模型進行分析，可以獲得單樁長度、單樁外徑、斷面橢圓度、中軸線彎曲度、法蘭面橢圓度、法蘭面平整度、法蘭內(nèi)傾斜等質量參數(shù)，從而可以全面反饋樁體出廠前的生產(chǎn)情況，并提出關鍵質量數(shù)據(jù)作為出廠驗收記錄。單樁出廠驗收檢測結果匯總見表1。

表1 單樁出廠驗收數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Single pile factory acceptance data record sheet

1）橢圓度檢測

通過單獨提取特征點部位來提高測量數(shù)據(jù)的說服力，并按需要進行分段解析內(nèi)外徑的橢圓度。并根據(jù)典型斷面的數(shù)據(jù)信息，利用公式計算出橢圓度，橢圓度計算公式：（最大直徑-最小直徑）衣標準直徑伊100；如圖1所示。分段解析見圖2。

圖1 橢圓度分析Fig.1 Ellipticity analysis

圖2 分段解析Fig.2 Segment analysis

2）垂直度檢測

根據(jù)掃描數(shù)據(jù)擬合的中軸線，法蘭傾斜度計算采用的是虛擬中心線法，利用軸線上各典型斷面的中心位置數(shù)值，去除最大值和最小值后，得到算術平均值的中心線。再模擬出一個與中心線垂直的平面，計算出法蘭面的最高點和最低點，可以直接顯示法蘭面外徑任意點與最低點的高差，這樣就可以得到真實的鋼樁垂直度和法蘭平整度數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 垂直度及法蘭平整度Fig.3 Verticality and flange flatness

根據(jù)檢測結果，合格的產(chǎn)品準予出廠，不滿足設計要求的鋼樁，需要進行整改后再次進行檢測，對于法蘭橢圓度可采用千斤頂頂推的方式進行糾正，法蘭傾斜度和法蘭傾斜度偏差可報設計同意后進行打磨修正，偏差過大應割除頂部管節(jié)重新制作，直至檢測合格。

5 創(chuàng)新點及結語

本系統(tǒng)基于3D視覺檢測技術，以三維激光掃描儀為主要設備，實現(xiàn)對超大鋼管樁的逆向建模，并基于數(shù)字模型進行分析，從而獲取鋼管樁的生產(chǎn)質量信息，有效地解決了傳統(tǒng)的全站儀觀測法耗時過長、檢測結果無法反映結構特性等難題，本系統(tǒng)具有以下特點：

1）突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，能夠在復雜的環(huán)境中優(yōu)質高效地完成整體測量任務。

2）三維掃描技術相對于以往的全站儀局部測量，其測量數(shù)據(jù)更加科學、可靠。

3）通過優(yōu)化算法、達到簡化數(shù)據(jù)處理流程、提高數(shù)據(jù)處理效率、減少內(nèi)業(yè)工作量和時間。

4）利用虛擬數(shù)字模型進行距離、角度、面積、體積等量測，也可實現(xiàn)對點云任意切割、刪除、擬合等功能，生成質量檢測所需要的成果。

5）可遠距離非接觸式自動化測量，操作人員遠離危險、復雜、惡劣等不便操作儀器的場合。

6）相對傳統(tǒng)測量方式，工效較高，場地占用時間從原有的3耀4 h，降低為40耀45 min，經(jīng)濟效益顯著。

本系統(tǒng)的成果應用，使海上沉樁施工控制在程序上得到了閉合，質量上得到了保障，使得平面位置和樁身垂直度實測值均滿足和優(yōu)于設計要求，社會效益顯著。同時提高了單樁出廠檢測的效率，降低了測量人員的工作強度和風險，經(jīng)濟效益明顯，下一步可將3D視覺測量技術進一步應用于導管架、升壓站等其他大型結構三維逆向建模和成品質量檢測領域，具有較高的推廣價值。