基于激光點(diǎn)云的橋梁變形分析方法研究

陳守輝，徐小華

(湖北省交通運(yùn)輸廳漢十高速公路管理處)

在橋梁構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)簡單特征線明顯的部位，通過曲面擬合的方法將橋梁構(gòu)筑物表面掃描的點(diǎn)云進(jìn)行建模分析，可以一定程度上反映出橋梁下沉、傾斜、表面損壞等情況。針對(duì)橋梁有些部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又考慮到是重要部位，監(jiān)測必須要進(jìn)行分析，本文采用基于ICP配準(zhǔn)方法的變形分析研究，ICP配準(zhǔn)算法已經(jīng)是很成熟的點(diǎn)云配準(zhǔn)算法，配準(zhǔn)精度高、收斂性強(qiáng)，對(duì)于多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用ICP配準(zhǔn)方法提取變形是這個(gè)算法創(chuàng)新的應(yīng)用。

1 基于曲面擬合的橋梁變形

構(gòu)筑物形態(tài)變形是指構(gòu)筑物使用一段時(shí)間后其表面形態(tài)相對(duì)于初始運(yùn)營時(shí)發(fā)生變化的描述。通過對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析，橋梁表面多數(shù)為平面或者簡單曲面，不論是橋面、梁體還是橋墩一般都是規(guī)則的幾何體形狀，這就為形態(tài)分析創(chuàng)造了良好的條件。通過特征提取，將橋梁幾何結(jié)構(gòu)簡單部位分割后，利用最小二乘平面擬合求出平面方程、計(jì)算平面法向量、平面擬合殘差，通過計(jì)算不同時(shí)期兩個(gè)面夾角的變化來分析橋梁的不均勻沉降，利用不同時(shí)期曲面擬合殘差的變化來分析橋梁表面相對(duì)形態(tài)變形。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 橋梁梁體變形實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)橋梁梁體變形分析采用平面擬合算法，對(duì)橋梁兩期掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。橋梁順橋軸方向每段T梁長度30 m，橫橋軸方向蓋梁長度14.7 m。梁體兩期觀測計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 橋梁梁體變形分析結(jié)果

續(xù)表1

從兩期觀測數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果中，具體分析如下:

兩期觀測數(shù)據(jù)中，橫橋向蓋梁底部與側(cè)面夾角變化為:左幅變大 0.014 9°，右幅變大 0.024 35°;順橋向 T 梁底部與側(cè)面夾角變化為:左幅變大 0.025 28°，右幅變大 0.040 49°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在橫橋向蓋梁在墩身的支撐下，變形量微小，順橋向T梁，由于長度較長，支撐物距離較遠(yuǎn)，相比較蓋梁來說變形量稍大。

從梁體兩期表面擬合中誤差結(jié)果中可以看出，蓋梁表面擬合中誤差變化均在0.5 mm以內(nèi)，T梁表面擬合殘差變化在0.5～1 mm之間，進(jìn)一步表明，T梁變化稍大。

通過分析可得出，在橋梁運(yùn)營期間順橋向T梁形態(tài)容易變形，主要是橋梁不均勻沉降所致，在一定程度上可以反映橋面的沉降。

2.2 橋梁墩身變形實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)掃描的橋梁墩身是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，為截取橋梁橫橋向連續(xù)的6個(gè)墩身掃描的點(diǎn)云示意圖。

實(shí)驗(yàn)選取了橋梁某位置左幅和右幅的6個(gè)墩身進(jìn)行分析，通過曲面擬合計(jì)算出曲面擬合中誤差，并計(jì)算出墩身圓柱的擬合直徑。結(jié)果如表2所示。

從兩期計(jì)算結(jié)果中可以看出，橋梁墩身兩期的擬合殘差之差在1 mm以內(nèi)，兩期墩身擬合圓柱體直徑之差在2 mm以內(nèi)，在測量誤差允許范圍內(nèi)可以認(rèn)為橋梁墩身在兩期內(nèi)沒有發(fā)生相對(duì)形態(tài)扭曲、破損現(xiàn)象。

表2 橋梁墩身變形計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

(1)推導(dǎo)了平面擬合以及二次曲面擬合算法，編程實(shí)現(xiàn)了平面擬合算法以及計(jì)算平面法向量，給出了基于曲面擬合算法的橋梁變形分析步驟，實(shí)驗(yàn)表明:該方法可以反映橋梁運(yùn)營后在橫橋向和順橋向的不均勻沉降、梁體以及墩身表面形態(tài)變化。

(2)研究了ICP算法分析變形的步驟，給出了提取變形量精度指標(biāo)。通過Visual C++6.0結(jié)合OpenGL編程實(shí)現(xiàn)了ICP點(diǎn)云配準(zhǔn)算法以及變形量提取，實(shí)驗(yàn)表明:應(yīng)用ICP配準(zhǔn)算法對(duì)橋梁兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，依據(jù)最近點(diǎn)的距離值確定變形閾值可以提取表面變形量。

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［1］馬立廣.地面三維激光掃描測量技術(shù)研究［D］.武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

［2］朱凌，石若明.地面三維激光掃描點(diǎn)云分辨率研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，2008，12(3):405-410.

［3］鄭德華.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的理論與方法［D］.同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

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