Scansites 3D技術(shù)用于大壩監(jiān)測的探討

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(1.長江工程地球物理勘測武漢有限公司， 武漢 430010； 2.法國SITES廣州司態(tài)結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)咨詢有限公司， 廣州 510080)

Scansites3D技術(shù)用于大壩監(jiān)測的探討

陳華1,陳方2

(1.長江工程地球物理勘測武漢有限公司， 武漢 430010； 2.法國SITES廣州司態(tài)結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)咨詢有限公司， 廣州 510080)

大壩監(jiān)測內(nèi)容，包括壩面的變形及表面缺陷狀況，而新興技術(shù)的發(fā)展提供了一些新的工具，可以實現(xiàn)詳盡的、數(shù)字化的目視檢查和幾何測量。Scansites 3D通過生成一個關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫的多層文件，提供高密度的測量和詳盡的檢查結(jié)果。通過兩個案例研究分析，展示了此方法的應(yīng)用成果。

大壩監(jiān)測； Scansites 3D； 應(yīng)用

1 Scansites 3D技術(shù)介紹

幾十年以來，在現(xiàn)有的監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)中，有兩種方法被廣泛地用于大型大壩的安全管理中：目視檢查和幾何測量。其中，目視檢查通常是基于經(jīng)驗方法而通過人工實現(xiàn)；幾何測量則是精確的，但測量點的數(shù)量是受到限制的，如：微三角法測量。

本文將介紹一種新思路，是一種詳盡的、數(shù)字化的監(jiān)測技術(shù)，被稱作“Scansites 3D”。它是對兩種技術(shù)方法的整合：Scansites，一種實現(xiàn)對大型結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行數(shù)字化目視檢查的先進(jìn)工具；Scanner 3D, 一種新型的、遠(yuǎn)距離的激光掃描雷達(dá)，能給出詳細(xì)的幾何圖像和正攝投影相片。本文介紹的Scansites 3D所使用的設(shè)備和技術(shù)，說明這種整合是如何實施的以及哪些數(shù)據(jù)能夠被提取出來繪制在大型結(jié)構(gòu)的圖像上，并介紹此方法在兩個大壩上的應(yīng)用實例。

2 系統(tǒng)設(shè)備與方法: Scansites, Scanner 3D 及正攝投影

2.1 Scansites 方法介紹

很多業(yè)主對傳統(tǒng)的缺陷檢查和制圖方法均不完全滿意。傳統(tǒng)的方法使用望遠(yuǎn)鏡觀察或者用吊繩接近目標(biāo)，主要的缺點是難以生成一個按照一定比例繪制的缺陷圖從而達(dá)到精確地、可重復(fù)性監(jiān)測的目的(如：對缺陷演變的跟蹤)。而Scansites 系統(tǒng)能夠生成一個關(guān)聯(lián)到真實的、實時的GIS(地形信息系統(tǒng))數(shù)據(jù)庫的數(shù)字化缺陷圖像。系統(tǒng)的組成部分有：

a.信息化的檢查工具，包括一個馬達(dá)驅(qū)動的自動化檢查探頭和其控制器 (見圖1,圖2)。

圖1 Scansites檢查探頭

b.軟件包，包括一個數(shù)據(jù)庫和幾個專用的檢查工具套件。

整個系統(tǒng)被設(shè)計用于野外工作，攜帶輕便且不需要重型搬運工具。

為了對結(jié)構(gòu)的老化演變進(jìn)行診斷，這一檢查工具能夠在幾百米的范圍以外定位并分析結(jié)構(gòu)表面所有的可見缺陷。對于每一個觀察到的缺陷，系統(tǒng)給出其三維空間坐標(biāo)、特征(長度、開度、性狀)及圖片信息。這些數(shù)據(jù)將被存儲在一個以真實的地形信息系統(tǒng)為表現(xiàn)方式的數(shù)據(jù)庫中，能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷的分級分類及圖像表示(見圖3)。

圖2 進(jìn)行檢查中的系統(tǒng)

圖3 缺陷圖像

2.2 Scanner 3D 方法介紹

Scanner 3D (見圖 4) 是一種以三維坐標(biāo)的形式生成高密度測量的工具，通過它能夠獲得結(jié)構(gòu)的全局幾何形狀及其變形?；趦蓚€角度解碼器和一個遠(yuǎn)程電子距離測量裝置，該系統(tǒng)以足夠高的速度在1s之內(nèi)獲取數(shù)萬個測量點，使用遠(yuǎn)距離測程的激光掃描裝置，能夠掃描遠(yuǎn)到1000m、反射系數(shù)小于20%的大型結(jié)構(gòu)物表面。

圖4 Scanner 3D測量中

掃描測量的結(jié)果，被稱為“點云”(見圖 5)，由上千萬個已知X、Y、Z坐標(biāo)的測量點組成，點與相鄰點之間的平均密度間距在5～20mm之間。

圖5 大壩點云圖

2.3 攝影測量介紹

攝影測量的目的，是生成結(jié)構(gòu)全面的、高清晰的圖像，能夠產(chǎn)生一個有三維坐標(biāo)參考的目視檢查結(jié)果。使用的相機和鏡頭能夠給出每一像素相當(dāng)于被檢查結(jié)構(gòu)幾個mm的圖像，從而能夠辨識出主要的缺陷。因為圖片的方向是已知的，因此，每張圖片都可以投影在三維網(wǎng)格上并紋理化。將紋理化的3D網(wǎng)格圖投影在原始投影(平面、錐形、圓柱)上得到一個圖像。投影過后的圖片被稱作正攝投影圖像。

3 Scansites 3D應(yīng)用

3.1 輸入數(shù)據(jù)

Scansites 3D的實施是基于一個已知的參考坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系可以使用傳統(tǒng)的大地測量方法(靶標(biāo)、觀測墩)來建立。如果沒有可用的控制網(wǎng)，可以基于結(jié)構(gòu)上的單個點用傳統(tǒng)的測量步驟建立。

為了實施目視檢查，需要事先了解工程的要求，包括關(guān)注的缺陷類型及分級分類原則，其中一個最重要的參數(shù)是所需要測量的裂縫的最小開口寬度，用于確定檢查中所要選用的鏡頭焦距(可以長達(dá)4000mm)。

3.2 Scansites 3D 過程

Scansites 和 Scanner 3D 架設(shè)在多個不同的位置上以全面覆蓋結(jié)構(gòu)的表面。采用高增益攝像機和高品質(zhì)鏡頭的Scansites可以在低亮度的環(huán)境下工作；Scanner 3D可以在夜晚工作。

使用Scanner 3D通過全面的掃描可以獲得結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)生成三角格網(wǎng)圖并將其轉(zhuǎn)換到三維表面(見圖 6)。該三維表面的用途是使Scansites能夠在三維空間里定位缺陷的位置。

圖6 三角網(wǎng)成圖

有了這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開始進(jìn)入目視檢查階段。用Scansites的探頭完成壩面的整個掃描，捕獲所有可見的缺陷。三維圖像上會實時顯示缺陷并將其錄入到數(shù)據(jù)庫中，包含缺陷的特性參數(shù)和坐標(biāo)。通過Scansites掃描，一個全面的高清晰攝影測量被完成。

4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的目的是在一個多層的文件上生成一個圖像，包含所有被捕獲的缺陷、幾何變形和攝影測量的圖片。該文件能夠產(chǎn)生多個不同的組合視圖，包括缺陷/變形圖、缺陷/圖片和主題視圖(來自于數(shù)據(jù)庫查詢)。共分為三個步驟：

a.比較所測量到大壩的3D形狀同理論設(shè)計或者以前的測量結(jié)果的差別。一個三維的變形被提取出來，生成一個圖像。該圖像可以用不同顏色代表不同變形量的彩色圖像，也可以用等高線圖的形式展現(xiàn)出變形的大小。

b.用坐標(biāo)參考網(wǎng)將Scansites檢查到的缺陷疊加在第一步的圖上。

c.直接將圖片疊加在結(jié)構(gòu)的3D形狀圖上以生成一張正攝投影影像圖。

5 實例分析

5.1 大壩案例1

歐洲某大壩，其主要參數(shù)為：高度87m，壩頂長180m。用Scansites 3D技術(shù)對大壩的上游墻面和下游墻面都做了測量和檢查，主要目的是將幾何變形關(guān)聯(lián)到結(jié)構(gòu)表面的缺陷上。Scanner 3D采集了1200萬個點的數(shù)據(jù)，Scansites檢查到的缺陷數(shù)量接近300個。圖 7顯示的是大壩的下游墻面用顏色譜表達(dá)的變形量對比表面缺陷的圖樣。

圖7 變形/缺陷疊加和放大圖像

5.2 大壩案例2

第二個研究案例在歐盟，壩高120m，壩頂長250m。Scansites 3D站點設(shè)在距大壩下游墻面平均200m左右的位置(見下頁圖8)。檢測的目的是獲得大壩的幾何變形量，對敏感區(qū)域(靠近河岸部分和大壩的底部)進(jìn)行非常詳細(xì)的目視檢查，對其他區(qū)域做詳細(xì)的檢查和一個全局的攝影測量覆蓋。通過檢測，一個描繪了上千萬個點的點云被生成，整個壩面連帶圖片一起投影到壩面的3D形狀上并展開，整個畫面的像素超過了30億 (見圖 9)。敏感區(qū)域的目視檢查使用了Scansites，常規(guī)區(qū)域內(nèi)所有的缺陷則直接在3D 紋理模型上獲取。

圖8 檢查中的Scanner 3D和Scansites

圖9 投影圖像

6 Scansites 3D技術(shù)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)方法難以獲取具有缺陷的準(zhǔn)確位置以及演變的圖像，而Scansites能提供數(shù)字化的結(jié)果：生成一個比例缺陷圖像和缺陷數(shù)據(jù)庫。所有的數(shù)據(jù)(圖片、幾何測量、缺陷圖、演變)都疊加在一個文件上，從而能夠快速地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷而不需要繁瑣地融合來自于不同報告中的數(shù)據(jù)；能夠展現(xiàn)大壩當(dāng)前狀態(tài)及兩次檢查之間的缺陷演變；可以對各種缺陷進(jìn)行統(tǒng)計、分析，掌握需要處理的裂縫的總長度、需要處理的銹蝕鋼筋總量、裂縫與幾何變形是否相關(guān)等，從而對修復(fù)工程產(chǎn)生巨大幫助。

傳統(tǒng)的大地測量使用經(jīng)緯儀和眾所周知的三角測量方法，其優(yōu)勢在于能夠接近最好的可能的準(zhǔn)確度(接近1mm)。但是，由于是一種“離散”的方法，它只關(guān)注于有限的測點，通常是幾十個靶標(biāo)或者反射棱鏡，而這些點并不可能都放置在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位上。相比而言，即使Scansites 3D的精確度要略低，但高密度的三維掃描所產(chǎn)生的表面輪廓也可以接近3～4mm的精度。該方法通過對數(shù)百萬個點的處理，提供結(jié)構(gòu)的一個全局信息并凸顯所有的細(xì)節(jié)，大大改善了幾何變形診斷的靈敏度(見圖10、圖11)。

圖10 Scanner 3D疊加在測量靶標(biāo)上的變形圖

圖11 傳統(tǒng)測量靶的變形圖

7 結(jié) 語

大壩監(jiān)測新方法Scansites 3D不需要預(yù)先安裝設(shè)備即能獲取被監(jiān)測部位乃至整個大壩的高精度(3～4mm的精度)缺陷、變形信息，自動生成數(shù)字化圖像及缺陷數(shù)據(jù)庫，為缺陷與變形之間的關(guān)聯(lián)分析及后續(xù)處理，提供有力手段。

Discussion on Applying Scansites 3D Technology in Dam Monitoring

CHEN Hua1, CHEN Fang2

(1. Changjiang Engineering Geophysical Survey Wuhan Co., Ltd., Wuhan 430010, China; 2. French SITESGuangzhou Sitai Structure Monitoring Technology Consulting Co., Ltd., Guangzhou 510080, China)

Dam monitoring contents include dam surface deformation and surface defect condition. Development of emerging technologies provides a number of new tools for realizing detailed and digital visual inspection and geometric measurements. Scansites 3D can provide high density measurements and detailed test results through generating a multi-layer file of relational database. Application results of the method can be exhibited through study and analysis of these two cases.

dam monitoring; Scansites 3D; application

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1005-4774(2014)12-0058-04