一种基于三维激光扫描的钢筋安装检测方法

1.本发明涉及钢筋检测技术领域，尤其涉及一种基于三维激光扫描的钢筋安装检测方法。


背景技术：

2.钢筋混凝土结构广泛应用于工业和民用建筑中，钢筋的尺寸和安装位置对建筑物的整体结构性能至关重要。不正确的安装位置会导致钢筋开裂、锈蚀，从而引起结构坍塌等严重后果。因此，在混凝土浇筑之前，现场工程师要检查钢筋的安装的尺寸和位置是否正确，确保符合设计图纸的要求。建筑中钢筋检测的项目主要涉及钢筋安装位置、钢筋直径、相邻钢筋之间的间距、两层钢筋网之间的间距以及保护层厚度等。目前，钢筋检测的做法是利用钢尺进行人工检测。然而，对于大型复杂结构而言，人工检测效率低，而且耗费大量时间。此外，人工检测的结果依赖于检测人员的专业水平和操作熟练程度，所以检测结果带有一定主观性。
3.近几十年，出现了地质雷达、超声波检测、热像仪、射线检测等技术，这虽然提供了比人工检测更快，更精确的测量，但对于建筑构件高密度测量，它们仍没有足够高的采样率，并且，这些检测技术在混凝土浇筑完之后检测，只能追踪建筑构件施工后的状态。
4.为了实现钢筋自动化检测，本领域已经开展了多项使用智能传感技术的研究。近年来，地面三维激光扫描技术以其高密、快速、全面、非接触采集目标物体的三维数据等优点，在建筑测量、边坡变形监测、古建筑修复等行业中运用的越来越普遍。它通过发射激光光束和检测目标反射信号来测量距离。目前，三维激光扫描数据通常是先拼接，再整体分析，但该处理方式不适用钢筋扫描数据。钢筋的直径都是以毫米估量的，而仪器进行扫描工作时自身带有1-2cm的误差，数据拼接会产生更大的误差，如果先拼接再分析会对钢筋直径估算影响大，使分析结果不准确。


技术实现要素：

5.本技术为了解决上述技术问题提供一种基于三维激光扫描的钢筋安装检测方法，具体为：首先借助视线检测算法进行测站规划，然后利用地面三维激光扫描仪对钢筋施工现场进行外业扫描，单独分析各测站获取的数据，根据各测站的钢筋直径、位置、间距、保护层厚度的分析结果，利用三维模型重建实景还原施工现场的钢筋模型，最后将真实的钢筋模型与钢筋设计bim模型对比找出安装偏差并及时做出调整。本技术将钢筋网分为多个测区，每个测区由单个的测站进行有效覆盖，再将各测站分析结果拼接。各测站数据单独分析能减少拼接误差，利于保证钢筋直径估算的精度。
6.值得说明的是，本技术的钢筋安装检测方法是在浇筑混凝土之前进行，将扫描钢筋模型与bim设计模型进行对比分析能够发现钢筋安装偏差以便及时调整，有助于后续评估施工质量。
7.与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：
8.1，三维激光扫描仪的运用克服了手工测量效率低、检测样本少的缺点，同时也降低了外业数据采集的时间，提高了工作效率，实现了数字化钢筋检测；
9.2，本技术先将钢筋网分成各个测区，每个测区由单独的测站进行有效覆盖，单独对各测区点云数据进行钢筋直径估算，各测区分析完后再进行拼接，能避免多站扫描数据拼接误差，从而保证钢筋直径的估算精度；
10.3，本技术通过采集的大量点云数据，可以快速构建物体的真实形态，真实、准确、清晰地反映钢筋位置、直径、间距、保护层厚度信息，通过这些数据与bim设计模型进行对比，得出较为全面的质量检测报告，以便针对报告做出及时的调整，能更好地指导施工现场作业；
11.3，本技术不仅能实现主筋和分布钢筋的实例分割，还能有助于提高钢筋的建模精度；
12.4，本发明基于两阶段算法提取钢筋和混合像素的线性平面性特征，采用线性平面性分析，能够快速、自动化去除混合像素，保留钢筋点云数据；
13.5，本发明相比地质雷达不仅能够做到事前控制，并且不再局限为抽样检测，检测范围更全面，这样能及时发现且全面分析钢筋安装过程中不合理的地方并且做出调整；同时，本发明能提供比地质雷达更精确的分析结果。
附图说明
14.此处所说明的附图用来提供对本技术实施方式的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。
15.图1是本技术实施例的流程图；
16.图2是本技术实施例中各测区数据分析的流程图；
17.图3是实施例中测区和重叠范围的示意图；
18.图4中a是去除混合像素前的示意图，b是去除混合像素后的示意图；
19.图5是实施例中其中一个测区的钢筋模型的局部示意图。
具体实施方式
20.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
23.如图1所示，本实施例公开的一种基于三维激光扫描的钢筋安装检测方法，包括以下步骤：
24.s1，测站规划。
25.虽然对钢筋网扫描提倡一次测站以覆盖钢筋表面，但获取钢筋所有表面数据往往具有挑战性。所以在一些实施例中，当扫描大场景钢筋混凝土结构或者更加密集钢筋时，将整个钢筋网分成若干个小的测区，通过增加测站和合理规划扫描仪位置来有效降低钢筋遮挡。具体方法为：
26.三维激光扫描仪开展实地工作之前，由仪器的角度分辨率和钢筋点密度计算出扫描距离，随后利用视线检测算法计算出各测站的有效数据范围。基于扫描距离和有效数据范围确定测站的位置，完成测站的规划，随后可进行钢筋扫描工作。
27.通过视线检测算法能计算出哪个位置可以获得完整的扫描数据覆盖，继而科学确定测站的位置。具体的，在视线检测算法中输入钢筋设计bim模型，明确扫描目标，根据扫描距离、可见度、覆盖率、精确度等因素计算出有效视线的范围。
28.值得说明的是，测站的位置要保证能扫描到两层钢筋网，扫描视角可以斜视钢筋网，让底层钢筋网处于面层钢筋网空隙中。一个测站只负责该测区的点云，保证该区域的点云完整度。
29.其中，视线检测算法的优势在于所有扫描位置都是在采集数据之前规划好的，这大大提高了检测效率；同时，基于现场钢筋设计模型计算测站位置，这样能减少钢筋网上下层视线遮挡的问题。
30.特别的，各测区有扫描重叠部分。重叠部分是指一个测区中的扫描数据也被从另一个位置获取的另一个测区扫描所捕获的区域。扫描重叠是为了方便后续模型拼接，重叠范围建议设置为10-20cm。
31.如图3所示，钢筋网分成s1、s2、s3、s4等若干个测区，为了提高精度，一个测站负责的有效数据范围确定为a1a2a3a4区域，即s1的覆盖范围，同理可得s2、s3、s4覆盖的区域。s1和s2测区之间的重叠部分可表示为b1a2a3b4，即i12所覆盖的区域，s1、s2和i12的关系可表示为：i12＝s1∩s2，同理可得其他重叠范围和测区关系。因每个测站扫描范围大，但有效数据范围小，单纯由仪器的角度分辨率和钢筋点密度计算出扫描距离，还无法确定有效测站的具体位置。本技术通过视线检测来判断两点之间有无通视条件，然后确定测站位置，规划出的测站位置不仅满足了较大通视范围，也能提高点云精度。
32.s2，各测站扫描钢筋，利用地面三维激光扫描仪对钢筋施工现场进行外业扫描。
33.地面三维激光扫描仪能够主动发射扫描光源，通过采集的大量点云数据，可以快速构建物体的真实形态，真实、准确、清晰地反映钢筋信息。
34.s3，各个测站扫描完之后，将测站数据进行坐标转换拼接成完整的钢筋网，用以找到与设计bim模型中对应的有效数据范围。
35.在一些实施例中，将测站结果利用旋转平移矩阵进行坐标转换拼接成完整的钢筋网。旋转平移矩阵为
36.s4，根据视线检测算法计算出的有效数据范围将钢筋网分为各个测区。
37.s5，单独分析各测区数据，获取各测区的钢筋模型。
38.如上所述，在视线检测算法中，完整的钢筋网被分成不同的测区，各测站负责各自测区的点云覆盖度和完整度。
39.s6，各测区模型拼接，重建完整钢筋模型。
40.各测站数据单独分析完之后，将各测区重叠部分同一直径的钢筋合并，利用加权平均的方法实现钢筋模型拼接。找准不同测区同一钢筋的圆心，利用两个圆心之间的平均距离求出钢筋最终位置。钢筋的直径和位置一旦确定，钢筋间距和钢筋保护层厚度即可求出。
41.s7，对比完整钢筋模型与设计模型，找出偏差。
42.参数估算完成后将点云数据导入bim软件中，将钢筋模型与设计模型对比，实现钢筋安装的检测。其中，对比项目包括钢筋安装位置、钢筋直径、钢筋间距、保护层厚度，若安装偏差超过允许范围要及时做出调整。
43.钢筋安装位置直接关系到构件的受力性能，对于密集布置的钢筋网，合理的安装位置是确保构件受力稳定的重要保障。保证钢筋安装位置正确就需要合理布置钢筋间距。为保证构件的受力合理，检测钢筋间距包括单根钢筋之间的间距以及两层钢筋网之间的间距。
44.值得说明的是，有三个阶段可评估保护层厚度，分别是支模前、支模中、支模后。具体的，在支模板之前，将扫描的钢筋网与设计bim模型进行比对，可以计算出理论模板的位置，从而得到一个预估保护层厚度，判断预估保护层厚度是否符合设计规范要求。在支模板之后，浇筑混凝土之前，可以再次对钢筋模板进行扫描，从而计算出施工现场的钢筋保护层厚度，若该保护层厚度不符合设计规范要求，则及时进行模板位置调整或者钢筋位置调整。在拆模之后，也可以对钢筋混凝土表面进行扫描，计算出实际的保护层厚度。相比地质雷达只能检测浇筑混凝土之后的钢筋状态，本技术利用地面三维激光提供了三种不同施工阶段的钢筋检测方式，可以从多个阶段检测到钢筋安装状态，保证钢筋安装符合设计规范。
45.由于钢筋直径都是以毫米级来计算，所以对点云精度要求高，先拼接再分析的传统做法不适用钢筋扫描工程。本实施例各测站的点云数据先进行单独分析，最后再将各测站的结果叠加综合分析，可保证精度和完整度。
46.值得说明的是，被扫描的钢筋网的坐标系与地面三维激光的坐标系不同，为了方便后续计算。如图2所示，在一些实施例中，各测区数据的分析包括以下步骤：
47.s5.1、数据预处理，包括以下步骤：
48.5.1.1，将点云的坐标系转换为工程的坐标系。
49.如果是水平安装的钢筋，使受力钢筋与x轴平行，分布筋与y轴平行；如果是弯曲布置的钢筋，直接按照钢筋设计模型直接展开，使主筋与x轴平行，分布筋与y轴平行。
50.5.1.2，通过线性平面性分析去除在扫描过程中产生的混合像素，如图4所示。
51.在点云数据中，由于钢筋的线性值较高，混合像素的平面值较高，本实施例利用这一特征区分钢筋点云和混合像素。
52.基于钢筋的混合像素的几何特征，先进行维度分析。几何特包括线性a
1d
和平面性a
2d
。可以先手动筛除混合像素，以训练钢筋的混合像素的几何特征；并将训练结果用来识别
点云数据中与钢筋相关联的所有点，以确定线性的阈值t
1d
和平面性的阈值t
2d
。对于点云数据中的每个点pi，基于pi的邻近点进行主成分分析，从协方差矩阵中得到三个特征向量λ1,λ2,λ3，并且λ1≥λ2≥λ3≥0,则线性和平面性可分别表示为：
[0053][0054][0055]
若线性值大于训练的阈值a
1d
＞t
1d
，或者平面值满足a
2d
＜t
2d
，则该点被标记为线性；反之亦然。
[0056]
在一些实施例中，钢筋的3倍半径邻域内的点作为pi的邻近点。
[0057]
值得说明的是，维度分析只能去除大部分混合像素，还有少量边缘混合像素。对于边缘混合像素，可采用密度分析去除。密度分析是利用钢筋和混合像素密度特征去除边缘混合像素。其原理为：点云密度大的地方存在钢筋，混合像素的密度小于钢筋密度，利用这一特征进行密度分析就可以把上一阶段残留的边缘混合像素去除掉，提取完整的钢筋网。
[0058]
s 5.2、点云分割，包括以下步骤：
[0059]
5.2.1，语义分割，区分出钢筋类型；
[0060]
理论上，主筋方向与x轴方向平行，分布筋与y轴平行。在实际钢筋绑扎过程中，往往会有一定的角度误差，在一些本实施例中利用方向余弦来计算角度误差值大小。第一主成分等同于方向余弦，因为它们都是单位向量，那么第一主成分可以表示为：
[0061][0062]
其中，αi，βi，γi为第一主成分分别与x,y和z轴的夹角。
[0063]
为避免出现180
°
，应该被限定在第一象限，则αi，βi和γi能够用上式计算出来，计算出的角度最小者，其所对应的坐标轴极有可能是钢筋的安装方向。
[0064]
同时，角度误差值t
mis
应该视施工现场情况而定，当a＝β＝γ，t
mis
≤54.736
°
。当t
mis
确定，则可以进行钢筋语义分割：主筋:α＜t
mis
，分布筋:β＜t
mis
，箍筋:α≥t
mis
且β≥t
mis
。
[0065]
5.2.2，实例标注，评估钢筋的间距，区分出每一根钢筋。
[0066]
钢筋点的实例标记是评估每根钢筋间距的关键，因此应该为每个钢筋点标记实例id，以区分同一语义中的不同钢筋。通常，属于同一实例的钢筋点应该接近，属于不同实例的点应该更远。
[0067]
实例分割算法包括钢筋分段聚类和钢筋段生长。如果两个钢筋点之间的距离小于一个阈值t
dist
，则他们属于同一个聚类，阈值应该足够小，以确保不同的钢筋不能属于同一个聚类，阈值大小取决于钢筋放置的实际间距。同一个聚类的钢筋点标记为一个节段，随机选择一个节段作为生长段，连接生长段的一个端点与候选钢筋段的最近点，该矢量与生长段所形成的角度要小于给定的阈值t
grow
，否则不能将这两个节段作为一个新的生长段连接起来。连接的钢筋段找不到任何连接点了就会给它分配一个实例id，然后随机选择另一个钢筋段作为新的生长段，直到没有钢筋段可以连接。
[0068]
s5.3，参数估算，获取单根钢筋扫描模型。
[0069]
利用圆形ransac来估算钢筋的坐标位置和直径。截取一根钢筋的几个横截面，分别对横截面进行圆形拟合来估计圆心。要将p个数据点拟合成一个圆，三个点可以确定一个圆，所以n≥3，设置迭代次数k，从p中随机选取n个点拟合一个模型，记为m1，容许误差ε设置为钢筋的允许偏差，当一个点与模型的距离小于ε，则该点判定为内点，否则为外点，当内点数量大于设定的阈值t时，该模型合理，采用内点最多点集的模型。当圆拟合完成后，可以确定每个横截面的圆心以及半径，最后把估计出来的圆心连接起来即为扫描的单根钢筋模型。
[0070]
s5.4，各测区将单根钢筋模型组合，获得该测区的钢筋模型，如图5所示。
[0071]
本技术将钢筋网分成各个测区，由单个测站进行扫描，各测区扫描数据单独分析，减少多站拼接误差，利于保证钢筋直径估算的精度。本技术通过采集的大量点云数据，可快速构建物体的真实形态，通过与bim设计模型进行对比，可得出较为全面的质量检测报告，以便针对报告做出及时的调整，能更好地指导施工现场作业。
[0072]
以上的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。