基于三維激光掃描技術(shù)的橋梁檢測(cè)應(yīng)用研究

駱義，趙文舉，張建

（東南大學(xué)土木工程學(xué)院）

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)橋梁建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了“建養(yǎng)并重”的可持續(xù)發(fā)展道路。與此同時(shí)，橋梁基數(shù)的增加引起橋梁養(yǎng)護(hù)任務(wù)越來(lái)越重。因此，在運(yùn)營(yíng)階段對(duì)現(xiàn)役橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)和有效的管理養(yǎng)護(hù)勢(shì)在必行。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是提高工程結(jié)構(gòu)健康安全及實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)性管理的有效途徑之一，利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和隱患從而實(shí)現(xiàn)治小病防大病的預(yù)防性維護(hù)被寄予厚望。國(guó)內(nèi)許多大型橋梁安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并且積累了海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[1-2]。

在結(jié)構(gòu)外觀(guān)病害快速智能檢測(cè)方面，針對(duì)傳統(tǒng)裂縫檢測(cè)技術(shù)費(fèi)工費(fèi)時(shí)且效果不佳的難題，Ni等[3]開(kāi)發(fā)了基于多尺度特征融合深度學(xué)習(xí)的裂縫自動(dòng)勾畫(huà)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像中裂縫的快速實(shí)時(shí)高精度自動(dòng)化勾畫(huà)。Jiang Shang和Zhang Jian[4]研發(fā)了一種新型爬壁無(wú)人機(jī)平臺(tái)，可快速靈活地獲取結(jié)構(gòu)表面細(xì)致的損傷影像，采用先進(jìn)的人工智能和圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)了裂縫等病害的實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別和快速量化分析（圖1）。

在結(jié)構(gòu)非接觸式測(cè)量方面，基于開(kāi)發(fā)的微波干涉雷達(dá)設(shè)備，Zhao等[5]首先驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)設(shè)備的測(cè)試精度，并采用信號(hào)盲源分離方法進(jìn)行橋梁多拉索信號(hào)分離，從而結(jié)合振動(dòng)法實(shí)現(xiàn)多拉索索力同步識(shí)別（圖2(a)）?？紤]圖像像素之間微小變化和中小型橋梁變形程度小的特點(diǎn)，Yu Shanshan 和 Zhang Jian[6]提出了一種采用追蹤被測(cè)結(jié)構(gòu)自然特征技術(shù)的視覺(jué)方法，可實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)撓度的快速測(cè)量（圖2(b)）。

圖1 基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)外觀(guān)病害智能檢測(cè)

圖2 非接觸式橋梁快速測(cè)試

但需指出的是，國(guó)內(nèi)眾多橋梁中存在著大量缺少設(shè)計(jì)和施工資料的舊橋，由于圖紙、尺寸的缺少導(dǎo)致建模不準(zhǔn)確難以安全準(zhǔn)確的制定適用的監(jiān)測(cè)方案。當(dāng)前橋梁檢測(cè)主要使用大地測(cè)量方法等傳統(tǒng)測(cè)量方法。其主要采用光學(xué)或電子測(cè)量?jī)x器周期而重復(fù)性地對(duì)既定測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，從而檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)水平位移和垂直位移。該方法雖然精度與靈活性較高，但自動(dòng)化程度與檢測(cè)速度較低，測(cè)點(diǎn)數(shù)量受限于觀(guān)測(cè)棱鏡，人工作業(yè)量大而強(qiáng)度高，亟需發(fā)展新的檢測(cè)手段。

作為一項(xiàng)新興測(cè)繪技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)(3D Laser Scanning)發(fā)展于九十年代，又稱(chēng)“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，無(wú)需反射棱鏡即可快速對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體掃描并獲得其空間坐標(biāo)及表面信息，進(jìn)而獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后將測(cè)定數(shù)據(jù)構(gòu)造成三維模型。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外均已有運(yùn)用三維掃描技術(shù)進(jìn)行橋梁檢測(cè)的研究。2011年Liu等[7]通過(guò)三維激光雷達(dá)對(duì)美國(guó)泰特公路橋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并運(yùn)用LiBE算法測(cè)量了橋梁的質(zhì)量損失。2018年KojiMatsumoto等[8]提出了一種基于三維空間測(cè)量的橋梁整體變形捕獲方法，并采用三維激光掃描儀對(duì)緬甸T(mén)wantay橋進(jìn)行空間信息測(cè)量。相比之下，雖然三維激光掃描技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)研究在我國(guó)的起步較晚，但已有部分學(xué)者也取得了不少應(yīng)用成果。其中，2014年田云峰等[9]利用三維激光掃描采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM模型的對(duì)接，分析了基于三維激光掃描和BIM模型在橋梁質(zhì)量管理中的可行性和必然性。2017年徐進(jìn)軍等[10]將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到橋梁撓度變形測(cè)量。其結(jié)合橋底面點(diǎn)云具體特點(diǎn)，采用點(diǎn)云擬合法和重心法分別獲取不同荷載下橋梁底部的撓度變化，通過(guò)對(duì)比分析初步確定該方法變形測(cè)量精度，驗(yàn)證了該技術(shù)在橋梁撓度變形測(cè)量中的可行性。

本文簡(jiǎn)要介紹了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用原理，給出了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)三維建模方法以及結(jié)構(gòu)幾何變形測(cè)試方法。并以一實(shí)際橋梁為依托，基于三維激光掃描技術(shù)提取了該結(jié)構(gòu)精確的幾何尺寸信息，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)點(diǎn)云群數(shù)據(jù)獲得了相較于單點(diǎn)測(cè)量更加全面的幾何信息。

1 三維激光掃描技術(shù)理論與應(yīng)用原理

1.1 三維激光掃描工作原理

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及系統(tǒng)配套軟件構(gòu)成。三維激光掃描儀作為三維激光掃描系統(tǒng)的主要組成部分，其主要由激光射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD機(jī)以及軟件等組成，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度和高分辨率的數(shù)字地形模型。近年來(lái)，三維激光掃描儀已經(jīng)由基載向機(jī)載方向發(fā)展，最具代表性的為機(jī)載三維激光雷達(dá)?？衫萌S激光掃描儀共同作業(yè)，通過(guò)激光掃描測(cè)距快速、非接觸、高精度地獲取任意復(fù)雜場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)的三維立體信息，從而掌握結(jié)構(gòu)全場(chǎng)范圍的表面損傷和變形等狀況。

三維激光掃描技術(shù)主要通過(guò)測(cè)距系統(tǒng)獲取掃描儀到被測(cè)結(jié)構(gòu)之間的距離，再通過(guò)測(cè)角系統(tǒng)獲取掃描儀至被測(cè)結(jié)構(gòu)的水平角和垂直角信息即可計(jì)算出物體的三維坐標(biāo)。在掃描的過(guò)程中可利用設(shè)備本身的垂直和水平馬達(dá)傳動(dòng)裝置完成對(duì)結(jié)構(gòu)的全方位掃描，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間一定的取樣密度進(jìn)行連續(xù)掃描測(cè)量，獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)距原理的不同，三維激光掃描系統(tǒng)主要分為脈沖法、干涉相位法和三角測(cè)距法三種類(lèi)型。脈沖法測(cè)距遠(yuǎn)、精度低。而干涉相位測(cè)量和三角激光測(cè)量法適用于精度高的近距離測(cè)量?？紤]到市面上主要的三維激光雷達(dá)運(yùn)用的是脈沖法，故本文詳細(xì)介紹了脈沖法測(cè)距原理。

如圖3所示，不同于大地坐標(biāo)系，激光掃描系統(tǒng)采用內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。其坐標(biāo)系以?huà)呙杵鞯募す恻c(diǎn)為中心，基于右手定則進(jìn)行被測(cè)結(jié)構(gòu)測(cè)距定位。

對(duì)任意一個(gè)空間測(cè)點(diǎn)P( x ,y,z )來(lái)講，它位于激光掃描系統(tǒng)三維空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為:

式中，s為測(cè)點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的距離，θ和α分別為測(cè)點(diǎn)的水平和豎直夾角。

圖3 激光掃描儀三維坐標(biāo)系示意圖

脈沖激光測(cè)距利用激光器對(duì)目標(biāo)發(fā)射脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖到達(dá)目標(biāo)并由目標(biāo)返回到接收器的時(shí)間，從而計(jì)算出目標(biāo)距離假設(shè)目標(biāo)距離為s ，具體表述為：

式中，c 為光在真空中的傳播速度，為光往返時(shí)間。

1.2 基于三維點(diǎn)云的結(jié)構(gòu)軸線(xiàn)提取與快速建模

基于上述三維激光掃描工作原理，三維激光掃描技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)云來(lái)存儲(chǔ)掃描信息，進(jìn)而可提取結(jié)構(gòu)軸線(xiàn)和進(jìn)行快速建模。

圖4給出了三維點(diǎn)云的軸線(xiàn)提取與快速建模流程。在實(shí)際工程應(yīng)用中，首先對(duì)采集的結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、抽稀以及距離采樣等預(yù)處理，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、處理和最終生成結(jié)構(gòu)模型等系列操作。其中獲取并處理數(shù)據(jù)是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，具體又可分為：數(shù)據(jù)縮減、坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)濾波、分割、三角網(wǎng)建立、三維建模等。三維建模是三維激光掃描技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，其主要根據(jù)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后提取建模所需要數(shù)據(jù)，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體造型。根據(jù)結(jié)果的存儲(chǔ)方法和處理方式具體分為點(diǎn)云模型、三維線(xiàn)框模型、以及三維表面模型和三維實(shí)體模型四種。首先基于預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行中軸線(xiàn)粗提取工作，然后采用最小二乘擬合法可實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)軸線(xiàn)精確提取。

圖4 被測(cè)結(jié)構(gòu)軸線(xiàn)提取與快速建模流程圖

1.3 基于三維點(diǎn)云的橋梁變形檢測(cè)

基于三維激光掃描的橋梁變形檢測(cè)實(shí)施方案如圖5所示。在橋梁變形檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，需首先對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行勘測(cè)，確定觀(guān)測(cè)點(diǎn)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描。在三維激光測(cè)量變形應(yīng)用領(lǐng)域，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度始終是應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。提高激光掃描儀三維數(shù)據(jù)的實(shí)用性和可靠性，就必須建立完善的精度評(píng)估、誤差分析方法，在此基礎(chǔ)上減少數(shù)據(jù)誤差、修正數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)精度，從而為三維激光掃描儀在實(shí)際工程中的可靠性提供充分的保證。引起三維激光點(diǎn)云誤差的原因主要來(lái)自于兩個(gè)方面，其一為掃描儀本身引起的誤差，另一方面即為外界因素的干擾。為了減少外界誤差，首先需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行濾除噪聲離群點(diǎn)，從而使點(diǎn)云均勻抽稀。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并通過(guò)單、多期檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比得到變形量。

圖5 基于三維激光掃描的橋梁變形檢測(cè)實(shí)施方案

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概述

如圖6(a)所示，高明大橋（舊橋）是廣東省佛山市廣（州）海（安）線(xiàn)西線(xiàn)上橫跨西江的一座特大橋。于1991年11月建成通車(chē)，大橋共13跨，總長(zhǎng)1116.2m。其中，主跨為中承式鋼管混凝土拱橋，引橋?yàn)樯铣惺戒摻罨炷晾吖皹?，拱上結(jié)構(gòu)主要由拱上立柱、縱梁、肋腋板和橋面組成。

如圖6(b-c)所示，三維激光掃描現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)采用地面站覆蓋式掃描方式對(duì)全橋進(jìn)行掃描，獲取橋梁整體的三維點(diǎn)云信息，并依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析橋梁幾何形態(tài)，建立單期橋梁基礎(chǔ)模型，為全橋整體長(zhǎng)期性變形檢測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。掃描工作采用的設(shè)備為最前沿RIEGLVZ-400i型三維激光掃描儀（最大測(cè)距800m，測(cè)試精度5mm），其采用創(chuàng)新處理框架可實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)交互的最新波形處理LiDAR技術(shù)。本次實(shí)驗(yàn)采用激光發(fā)射頻率為1200kHz。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

如圖7所示，掃描作業(yè)完成后對(duì)各掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗拼接和精拼接處理，得到全橋的三維點(diǎn)云信息。全橋點(diǎn)云包含約23.9億點(diǎn)，其中橋拱等關(guān)鍵位置的點(diǎn)云密度約為1.4萬(wàn)點(diǎn)/㎡，點(diǎn)云拼接精度為4.1mm。

以7#主拱為例進(jìn)行分析，將其三維點(diǎn)云（圖(8a)）從全橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分割提取，然后進(jìn)行點(diǎn)云去噪處理形成光滑網(wǎng)格，可以得到該主拱的三維模型信（圖(8b)）。然后將該模型導(dǎo)出到Auto CAD軟件中，提取該結(jié)構(gòu)真實(shí)尺寸下的模型線(xiàn)型圖紙（圖8(c)）。

通過(guò)對(duì)全橋模型進(jìn)行多次掃描重建，對(duì)比多期掃描結(jié)果可以得到全橋范圍內(nèi)任意位置的變形情況。由于本次掃描是首次掃描，無(wú)法進(jìn)行多期模型對(duì)比。因此，通過(guò)對(duì)比分析設(shè)計(jì)中幾何外形一致的6#和7#主拱模型以驗(yàn)證多期掃描測(cè)量變形的可行性。分別對(duì)6#和7#主拱模型進(jìn)行抽稀和匹配，其中選取變形相對(duì)較小的主拱底部混凝土支座為參考點(diǎn)，兩主拱的變形情況如圖9所示。研究發(fā)現(xiàn)，從對(duì)比云圖中可以清晰地觀(guān)察各位置的幾何外形差別情況兩主拱平均幾何差異為29mm，最大位置相差41.5mm。

圖6 高明大橋測(cè)試概況圖

圖9 被測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)6#與7#主拱幾何外形對(duì)比圖

圖10 有限元模型圖

此外，可將毫米級(jí)橋梁三維點(diǎn)云模型導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行快速有限元建模。圖10給出了該測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)云模型導(dǎo)入有限元軟件Abaqus中的模型網(wǎng)格劃分圖。通過(guò)快速建立該有限元模型，可實(shí)現(xiàn)在后續(xù)橋梁檢測(cè)之前進(jìn)行有限元分析。

3 結(jié)論

針對(duì)已建橋梁快速智能建模對(duì)于橋梁健康監(jiān)測(cè)和定期養(yǎng)護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的橋梁快速建模和幾何變形測(cè)量方法。結(jié)合一實(shí)體橋梁的應(yīng)用，給出了一種橋梁日常運(yùn)行下的有效檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)快速建模，并得到了橋梁兩側(cè)拱結(jié)構(gòu)幾何線(xiàn)型，有效驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在橋梁快速建模與檢測(cè)應(yīng)用中的可行性。