三維激光掃描儀與探地雷達(dá)在古橋探測中的應(yīng)用

張 旭

（天津市地籍管理中心，天津 300042）

隨著時代發(fā)展，運(yùn)輸業(yè)的發(fā)達(dá)導(dǎo)致大型貨車增加，如今的古橋面臨著比過去更大的環(huán)境壓力，有更多潛在的危險因素會破壞橋體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，這些橋梁要定期監(jiān)測，防止橋體結(jié)構(gòu)的惡化和交通事故發(fā)生。很多古橋?qū)儆跉v史文化遺產(chǎn)，不能隨意的拆遷和重建，所以，對此類古橋進(jìn)行評估檢測對促進(jìn)古橋的保護(hù)和恢復(fù)有著十分重要的意義。三維激光掃描儀與探地雷達(dá)可以分別獲取橋體外部和內(nèi)部信息，激光掃描儀可以對目標(biāo)體進(jìn)行掃描生成帶有坐標(biāo)信息的激光點(diǎn)云，可以對橋體的外形及結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的建模及分析。探地雷達(dá)是一種可以穿透目標(biāo)體進(jìn)而探測生成橋體內(nèi)部的雷達(dá)圖像的探測設(shè)備，可提供橋體內(nèi)部非常有價值的信息。因此，在橋梁的檢測和評估方面，激光掃描儀與探地雷達(dá)結(jié)合應(yīng)用可以對橋梁的檢測與保護(hù)發(fā)揮很大的作用。本文依據(jù)三維激光掃描儀和探地雷達(dá)各自的技術(shù)特點(diǎn)，對古橋探測的過程中兩種技術(shù)結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行了研究和探索。

1 數(shù)據(jù)采集和處理

1.1 激光數(shù)據(jù)采集與處理

本試驗(yàn)中采用的激光為FARO FOCUS3D激光掃描儀。這款激光掃描儀的測及范圍為0.6～120米，掃描頻率為976000點(diǎn)/秒，掃描精度為2毫米。為獲取整個橋體側(cè)立面的數(shù)據(jù)，采集3站數(shù)據(jù)，每站之間放置目標(biāo)靶球作為激光點(diǎn)云后期拼接的參照。靶球放置的原則是每兩個掃描站點(diǎn)之間至少要共視3個或以上成三角形狀的球狀靶標(biāo)。

1.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與處理

探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集是采用瑞典的MALA系列探地雷達(dá)。分別采用250兆赫和500兆赫的屏蔽天線對橋體進(jìn)行探測。采用不同頻率的天線是因?yàn)橐綔y合適的深度的同時還要保證一定的精度，所以，采用不同的天線來尋找最合適的天線頻率。將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、濾波等處理。使用的軟件為ReflexW v5.0，處理目的是減少原始數(shù)據(jù)中的雜波和噪音等不必要的信息，放大需要分析的信息，使得雷達(dá)圖像的解譯和分析更加容易。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果處理與分析

2.1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析及幾何信息驗(yàn)證

結(jié)合實(shí)地考察，看到橋洞下面長滿了藤類植物及苔蘚，這種規(guī)則的強(qiáng)反射平行波可能是含水量增大的表現(xiàn)，部分原因可能是裂縫被植物根部侵襲，最大可能是橋體內(nèi)部存在積水。這兩種因素共同造成了探地雷達(dá)圖像中介質(zhì)含水量增加的情況。由于天線頻率越高，探測的精度越高，但同時信號干擾也越強(qiáng)，雜波越明顯。所以，雖然500兆赫的波形在圖像中顯示的信號反射更明顯，但是橋洞頂端邊界的圖像受到的干擾也比較多，顯得不易精確辨認(rèn)。由于250兆赫的橋拱拋物線波形邊界更為清晰銳利，所以選擇250兆赫的圖像中左起第一、第二兩個橋拱的圖像作為探地雷達(dá)實(shí)測幾何信息的驗(yàn)證。

2.2 橋體平均介電常數(shù)的推算

本實(shí)驗(yàn)中由于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可提供橋體的精確測量信息，所以，采用已知目標(biāo)深度推算介電常數(shù)的方法非常合適。如果目標(biāo)厚度（或深度）為h，發(fā)射天線(T)和接收天線(R)的間距為x，當(dāng)探地雷達(dá)在目標(biāo)(O)正上方（O'）時，探地雷達(dá)會記錄電磁波往返的總時間t，對于大多數(shù)非導(dǎo)體介質(zhì)，有：其中v為電磁波的波速，c為光速300毫米/納秒，從而有：

背對于接收和發(fā)射一體化的天線（由其是高頻天線），其收發(fā)距離相對于目標(biāo)深度很小，所以上式可以簡化為：其中v為電磁波的波速，c為光速300毫米/納秒。從而有：得出橋體的相對介電常數(shù)為7.17。實(shí)測橋體介電常數(shù)接近花崗巖平均介電常數(shù)的上限，此數(shù)值范圍合理，方法簡潔，效果明顯。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用三維激光掃描儀與探地雷達(dá)對石拱橋的探測做了初步的研究和探索，驗(yàn)證了探地雷達(dá)與激光掃描儀結(jié)合評估與檢測古橋的可行性和有效性。這些信息均可作為從事橋梁維護(hù)與保養(yǎng)的土木工程師作為參考。