本發(fā)明涉及一種檢測(cè)方法，特別是涉及一種基于構(gòu)建填筑工程填筑施工三維模型構(gòu)建方法與碾壓密實(shí)度檢測(cè)方法，屬于建筑工程領(lǐng)域、檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

建筑工程的填筑施工中填料攤鋪碾壓后的碾壓密實(shí)度是施工質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，表征現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后的密度狀況。碾壓密實(shí)度須滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，且壓實(shí)度越高，密度越大，材料填筑后的整體性能越好。

申請(qǐng)?zhí)枮?013101579089，申請(qǐng)公布號(hào)為CN 103255755A的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種快速實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)土石料填筑壓實(shí)質(zhì)量的無(wú)損方法。該方法基于振動(dòng)輾振動(dòng)壓實(shí)原理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)輾傳給被碾壓土石體的有效壓實(shí)能量，通過(guò)建立常用壓實(shí)指標(biāo)(相對(duì)密度、壓實(shí)度等)對(duì)應(yīng)的等效能量(閥值)評(píng)判準(zhǔn)則，判斷土石料的密實(shí)程度。該方法的技術(shù)缺陷主要在于：該方法為間接測(cè)量法，裝置過(guò)于復(fù)雜，需要測(cè)量多個(gè)參數(shù)，且要準(zhǔn)確獲取每一個(gè)參數(shù)值是困難的(如E_A值就只能近視獲取)，實(shí)際施工工況非常復(fù)雜，該方法的可行性不高。另外該方法測(cè)量的是施工區(qū)的整體平均碾壓密實(shí)度，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取任意局部的碾壓密實(shí)度來(lái)指導(dǎo)施工?，F(xiàn)有技術(shù)《綜合物探在高速公路路基密實(shí)度檢測(cè)中的應(yīng)用》一文(《工程地球物理學(xué)報(bào)》2005年04期)公開(kāi)了一種采用基于瞬態(tài)瑞雷波橫波速度與路基土碾壓密實(shí)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)反演橫波波速來(lái)檢測(cè)高速公路路基密實(shí)度的方法。該方法的技術(shù)缺陷在于：其一、瞬態(tài)瑞雷波橫波速度與路基土碾壓密實(shí)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是不確定的，受填筑料泊松比、含水率等參數(shù)影響，其關(guān)系式難以準(zhǔn)確確定；其二、瑞雷波橫波波速反演的誤差較大，導(dǎo)致碾壓密實(shí)度檢測(cè)質(zhì)量精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的土石填筑工程碾壓施工三維模型構(gòu)建方法，以及利用該方法實(shí)現(xiàn)的碾壓密實(shí)度檢測(cè)方法，該方法能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中土石壩碾壓密實(shí)質(zhì)量檢測(cè)存在的損毀性、滯后性和較大誤差等缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供一種填筑工程填筑施工三維模型構(gòu)建方法，其技術(shù)方案如下：

填筑工程填筑施工三維模型構(gòu)建方法，其特征在于：依如下步驟實(shí)施：

步驟S101、確定填筑區(qū)A邊界；

步驟S102、用三維掃描儀掃描填筑區(qū)A與填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域，建立填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

步驟S103、在填筑區(qū)填筑填筑材料；

在填筑區(qū)填筑填筑材料，所述填筑填筑材料是在填筑區(qū)攤鋪和/或碾壓填筑材料；

步驟S104、用三維掃描儀掃描填筑區(qū)A與填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域，建立施工后點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

步驟S105、拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將步驟S104所得施工后點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到步驟S102所得填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，得到拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

步驟S106、建立立體模型

以填筑前填筑區(qū)地表掃描點(diǎn)云為底面，以拼接后的施工后填筑區(qū)地表掃描點(diǎn)云為頂面，建立填筑材料填筑施工后立體模型。

利用上述方法可建立起填筑工程填筑施工后三維模型。該三維模型是以填筑施工過(guò)程(攤鋪前、攤鋪后和/或碾壓后)施工區(qū)真實(shí)地面點(diǎn)云為基礎(chǔ)建立的，能夠精準(zhǔn)反映施工過(guò)程地面相對(duì)位置(高程)的變化情況。本發(fā)明方法建立的三維模型實(shí)際上是填筑材料隨施工過(guò)程體積變化的實(shí)景復(fù)制，能夠精準(zhǔn)地量測(cè)出填筑料體積隨施工過(guò)程的變化值。

上述三維模型構(gòu)建方法，在點(diǎn)云拼接中采用ICP算法能夠提高結(jié)果精度。

以上述填筑工程碾壓施工三維模型構(gòu)建方法為基礎(chǔ)，本發(fā)明同時(shí)提供一種填筑工程碾壓密實(shí)度檢測(cè)方法，其技術(shù)方案如下：

一種填筑工程碾壓密實(shí)度檢測(cè)方法，其特征在于：依如下步驟實(shí)施：

步驟S201、前期工作

確定填筑區(qū)A邊界，從工程現(xiàn)場(chǎng)獲取填筑材料質(zhì)量m；

步驟S202、用三維掃描儀掃描填筑區(qū)A與填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域，建立填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

步驟S203、在填筑區(qū)攤鋪填筑材料；

步驟S204、用三維掃描儀掃描填筑區(qū)A與填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域，建立攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

步驟S205、碾壓填筑區(qū)填筑材料；

步驟S206、用三維掃描儀掃描填筑區(qū)A與填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域，建立碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

步驟S207、拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)

依次將步驟S204所得攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)、步驟S206所得碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接步驟S202所得填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，得到拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

步驟S208、建立立體模型與立體模型單元

以填筑前填筑區(qū)地表掃描點(diǎn)云為底面，以拼接后的攤鋪后填筑區(qū)地表掃描點(diǎn)云為頂面，建立填筑材料攤鋪后立體模型D₁，測(cè)量攤鋪后立體模型總體積V_攤；以拼接后的碾壓后填筑區(qū)地表掃描點(diǎn)云為頂面，建立填筑材料碾壓后立體模型D₂；采用網(wǎng)格劃分法，分別將填筑材料攤鋪后立體模型D₁與填筑材料碾壓后立體模型D₂按相同點(diǎn)位劃分成底面邊長(zhǎng)為1的正四棱柱立體模型單元，每個(gè)立體模型單元分別編號(hào)為及與其分別對(duì)應(yīng)的測(cè)量每個(gè)立體模型單元體積；

步驟S209、計(jì)算立體模型單元碾壓密實(shí)度

根據(jù)式1、式2計(jì)算每個(gè)立體模型單元碾壓密實(shí)度

式中，ρ_攤——填筑材料平均攤鋪密度，單位g·m^-3，依式1計(jì)算確定，

——攤鋪后立體模型單元體積，單位m³，由步驟S9確定，

m——填筑材料質(zhì)量，單位t，由步驟S201確定，

V_攤——攤鋪后立體模型總體積，單位m³，由步驟S208確定，

——碾壓后立體模型單元體積，單位m₃，由步驟S208確定。

上述檢測(cè)方法基本技術(shù)原理在于：(1)本方法首先通過(guò)3D掃描儀掃描對(duì)象(包括填筑區(qū)在各工序后的空白填筑區(qū)、攤鋪填筑區(qū)、碾壓填筑區(qū)，以及填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域)表面后采集的資料集合。掃描資料以點(diǎn)的型式記錄，每一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包含有三維坐標(biāo)值與激光反射強(qiáng)度信息，前者在后續(xù)計(jì)算使用，后者主要用于分辨填筑區(qū)域、靶標(biāo)的信息。掃描得到的每一組點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立在不同的坐標(biāo)系之下，通過(guò)點(diǎn)云拼接將其轉(zhuǎn)換與同一坐標(biāo)系下。(2)點(diǎn)云拼接是將靶標(biāo)作為控制點(diǎn)，采用基于點(diǎn)信息的拼接方法(ICP算法)或基于幾何特征信息的拼接方法將填筑區(qū)攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)與碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)之下。拼接后得到的各組點(diǎn)云數(shù)據(jù)(即各工序后掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù))分別包含了填筑區(qū)各點(diǎn)在新坐標(biāo)系(即填筑前所在坐標(biāo)系)下的三維坐標(biāo)值信息。在拼接過(guò)程中，具體以“周圍”點(diǎn)云(即每一次掃描分別得到的填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域)作為公共部分來(lái)拼接的。由于填筑區(qū)地形隨著施工進(jìn)程變化，不是公共部分，因而不參與拼接計(jì)算。(3)以拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)與填筑區(qū)填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用諸如Delaunay三角網(wǎng)法、NURBS曲面法、隱式曲面法等常規(guī)方法建立網(wǎng)格模型可以分別測(cè)量填筑料攤鋪后以及碾壓完成后的體積，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獲取的填筑料的質(zhì)量，就可依式1算出填筑材料平均攤鋪密度ρ_攤。進(jìn)一步地，將填筑料攤鋪后以及碾壓完成后三維模型按相同點(diǎn)位切割成底面邊長(zhǎng)為1的正四棱柱立體模型單元(所得與是同底不等高的直棱柱)，再根據(jù)式2即可算出每一個(gè)局部的碾壓密實(shí)度。

上述檢測(cè)方法，在點(diǎn)云拼接中采用ICP算法能夠提高結(jié)果精度。在網(wǎng)格模型建立中采用Delaunay三角網(wǎng)法能夠提高結(jié)果精度。

上述檢測(cè)方法可以進(jìn)一步完成填筑工程碾壓密實(shí)度達(dá)標(biāo)檢測(cè)，其技術(shù)方案是：上述填筑工程碾壓密實(shí)度檢測(cè)方法中：

步驟S201中，除確定填筑材料質(zhì)量m外，還根據(jù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定填筑碾壓密實(shí)度控制指標(biāo)ρ₀；

步驟S209后實(shí)施例步驟S210壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)記

將每個(gè)立體模型單元碾壓密實(shí)度與碾壓密實(shí)度控制指標(biāo)ρ₀比較，若標(biāo)記為壓實(shí)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，若標(biāo)記為壓實(shí)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

在優(yōu)選條件下，上述方法可以做如下優(yōu)化：在步驟S210、壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)記中，采用RGB色彩模式對(duì)每個(gè)立體模型單元及賦色，根據(jù)色彩差異檢測(cè)標(biāo)記壓實(shí)質(zhì)量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明的填筑工程填筑施工三維模型建立方法利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括的信息能夠精確反映施工各工序中填筑區(qū)地面相對(duì)位置(高程)的變化情況，從而反映施工質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上建立的三維模型是填筑料隨施工過(guò)程體積變化的實(shí)景復(fù)制，包括各點(diǎn)三維坐標(biāo)與強(qiáng)度的信息，可應(yīng)用于填筑施工后的多種檢測(cè)、設(shè)計(jì)工程。(2)本發(fā)明的填筑工程碾壓密實(shí)度檢測(cè)方法相比于傳統(tǒng)的坑測(cè)法及各種間接測(cè)量法，該方法能夠?qū)崟r(shí)、直接、精確、快速、無(wú)損毀地獲取每一局部的碾壓密實(shí)度，指導(dǎo)施工。

附圖說(shuō)明

圖1是填筑區(qū)范圍及靶標(biāo)布設(shè)示意圖。

圖2a是攤鋪前掃描點(diǎn)云(P₁、P₂)圖。

圖2b是圖2a局部放大圖。

圖3是攤鋪后掃描點(diǎn)云(P₃、P₄)圖。

圖4是碾壓完成后掃描點(diǎn)云(P₅、P₆)圖。

圖5是點(diǎn)云拼接示意圖。

圖6是攤鋪模型及碾壓完成模式相對(duì)關(guān)系示意圖。

圖7是攤鋪切割單元模型示意圖。

圖8是基于RGB色差梯度的碾壓密實(shí)度標(biāo)記示意圖。

附圖中的數(shù)字標(biāo)記分別是：

A填筑區(qū)B₁、B₂、B₃靶標(biāo)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例一

如圖1～圖4所示，用本發(fā)明方法檢測(cè)西南某在建碾壓堆石壩工程反濾料3填筑工序中的碾壓密實(shí)度。

步驟S201、前期工作

確定填筑碾壓密實(shí)度控制指標(biāo)ρ₀、填筑材料質(zhì)量m。根據(jù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定填筑碾壓密實(shí)度控制指標(biāo)ρ₀＝2.30g·m^-3，從工程現(xiàn)場(chǎng)獲取填筑材料質(zhì)量m＝612.180t；

標(biāo)注填筑區(qū)A與靶標(biāo)B。如圖1所示。確定填筑區(qū)A的邊界。在填筑區(qū)邊界周圍非填筑施工區(qū)域設(shè)置3個(gè)靶標(biāo)B₁、B₂、B₃，靶標(biāo)均勻布設(shè)。根據(jù)一般技術(shù)規(guī)范，靶標(biāo)具體設(shè)置位置在距離填筑區(qū)邊界不小于5倍靶標(biāo)的高度，不超過(guò)2倍填筑區(qū)的寬度。

步驟S202、建立填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)

用三維掃描儀掃描填筑區(qū)A與包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域，建立填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)。填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括填筑區(qū)填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₁、包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₂。

例如，點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₁、P₂如圖2a、圖2b所示。圖2a所示被掃描地表點(diǎn)數(shù)據(jù)的集合，圖2b是圖2a的局部放大圖。P₁是被掃描地表點(diǎn)數(shù)據(jù)的集合，每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)包含以掃描儀中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。如圖2b中，點(diǎn)O的(x,y,z)三維坐標(biāo)是(44.705,339.378,-64.121)。

步驟S203、在填筑區(qū)攤鋪填筑材料

將反濾料3攤鋪在填筑區(qū)A中。

步驟S204、建立攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

用三維掃描儀掃描填筑區(qū)A與包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域，建立攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)。攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括填筑區(qū)攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₃、包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₄；

點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₃、P₄如圖3所示。

步驟S205、碾壓填筑區(qū)填筑材料

依照常規(guī)工程施工方法碾壓攤鋪的反濾料3。

步驟S206、建立碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

用三維掃描儀掃描填筑區(qū)A與包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域，建立碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)。碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括填筑區(qū)碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₅、包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的填筑區(qū)周圍非填筑施工區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₆。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₅、P₆如圖4所示。

步驟S207、拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)

如圖5所示。以靶標(biāo)B₁、B₂、B₃為基準(zhǔn)，依次將步驟S204所得填筑區(qū)攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₃、P₄、步驟S206所得碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₅、P₆拼接到步驟S202所得填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₁、P₂中。

拼接計(jì)算中只對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₂、P₄、P₆的公共部分進(jìn)行。經(jīng)過(guò)拼接后，步驟S204所得攤鋪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)、步驟S206所得碾壓后點(diǎn)云數(shù)據(jù)都分別統(tǒng)一到步驟S202所得填筑前點(diǎn)云數(shù)據(jù)所在的坐標(biāo)系下，即拼接后得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)P₁、P₂、P₃′、P₄′、P₅′、P₆′，每組點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含各點(diǎn)在新坐標(biāo)系(P₁、P₂所在坐標(biāo)系)下的三維坐標(biāo)值信息。

本實(shí)施方式中，點(diǎn)云拼接計(jì)算采用常規(guī)迭代法，以攤鋪前點(diǎn)云P₂與攤鋪后點(diǎn)云P₄的拼接為例，具體算法過(guò)程示例如下：

假設(shè)攤鋪前點(diǎn)云P₂與攤鋪后點(diǎn)云P₄的掃描重疊區(qū)域?yàn)镸，M中任意一點(diǎn)在P₂、P₄上位置分別為x_i，y_i；n≤n_max為迭代次數(shù)；Rⁿ，Tⁿ為2個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集間的第n次旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。第n次迭代過(guò)程如下：

(1)計(jì)算n-1次迭代后兩組點(diǎn)云重疊區(qū)M的最鄰近點(diǎn)P₄ⁿ＝Γ(P₄^n-1，P₂)，使得P₄ⁿ中M處的每一個(gè)點(diǎn)與P₂中的同名點(diǎn)距離最近；

(2)計(jì)算第n次旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣Rⁿ，Tⁿ，即滿足函數(shù)取最小值的解；

(3)變換P₄ⁿ，P₄ⁿ⁺¹＝RⁿP₄ⁿ+Tⁿ；

(4)當(dāng)ω(Rⁿ,Tⁿ)-ω(R^n-1,T^n-1)≤δ，或者n＞n_max時(shí)迭代結(jié)束，式中δ為歐氏距離均方差閾值，n_max為最大迭代次數(shù)。

步驟S208、建立立體模型與立體模型單元

如圖6所示。以填筑前填筑區(qū)地表點(diǎn)云P₁為底面，以攤鋪后填筑區(qū)地表點(diǎn)云P₃′為頂面，建立填筑材料攤鋪后立體模型D₁，測(cè)量攤鋪后立體模型總體積V_攤＝300.79m³；以填筑前填筑區(qū)地表點(diǎn)云P₁為底面，以碾壓后填筑區(qū)地表點(diǎn)云P₅′為頂面，建立填筑材料碾壓后立體模型D₂。采用網(wǎng)格劃分法，分別將填筑材料攤鋪后立體模型D₁與填筑材料碾壓后立體模型D₂按相同點(diǎn)位劃分成底面邊長(zhǎng)為1m的正四棱柱立體模型單元，每個(gè)立體模型單元分別編號(hào)為及測(cè)量每個(gè)立體模型單元體積。

本實(shí)施方式中，采用Delaunay三角網(wǎng)法建立三維模型。例如，如圖7：

步驟S209、計(jì)算立體模型單元碾壓密實(shí)度

根據(jù)式1計(jì)算得到反濾料3平均攤鋪密度再根據(jù)式2計(jì)算每個(gè)立體模型單元碾壓密實(shí)度例如，

步驟S210、壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)記

將每個(gè)立體模型單元碾壓密實(shí)度與碾壓密實(shí)度控制指標(biāo)ρ₀比較，若標(biāo)記為壓實(shí)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，若標(biāo)記為壓實(shí)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

實(shí)施例二

如圖8所示，用本發(fā)明方法檢測(cè)西南某在建碾壓堆石壩工程反濾料3填筑工序中的碾壓密實(shí)度，其與實(shí)施例一相同之處不再贅述，其不同之處在于步驟S210。

步驟S210、壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)記

采用RGB色彩模式對(duì)每個(gè)立體模型單元及賦色。RGB色差梯度設(shè)置規(guī)則是：碾壓密實(shí)度的單元為合格區(qū)，標(biāo)注為黑色(RGB(0,0,0))；平均攤鋪密度ρ_攤為紅色(RGB(255,0,0))；碾壓密實(shí)度的單元為不合格區(qū)，標(biāo)注為不同紅色(RGB(0,0,0)～RGB(255,0,0))，其值越小顏色越深。黑色(RGB(0,0,0))與紅色(RGB(255,0,0))間設(shè)9個(gè)色差梯度(RGB(0,0,0)，RGB(31,0,0)...RGB(255,0,0))。各不合格立體模型單元色差取值方法是：先采用公式計(jì)算出RGB的計(jì)算值，再判斷該值屬于哪兩個(gè)色差梯度范圍內(nèi)，最后取較大的色差梯度值為該單元RGB的取值。

例如則為色差第二級(jí)，取RGB(63,0,0)。

根據(jù)賦色確定反濾料3填筑碾壓密實(shí)度分布情況(如圖8)，確定需要重新碾壓的區(qū)域。