三維激光掃描技術(shù)在危舊橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

尹恒，王立娟，裴尼松，姜麗麗，劉歡

(1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045；2.重大危險(xiǎn)源測(cè)控四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.四川順榮建筑工程有限公司)

1 前言

GPS測(cè)量、全站儀及電子水準(zhǔn)儀技術(shù)是現(xiàn)階段橋梁工程測(cè)量和監(jiān)測(cè)的三大核心技術(shù)，這3種方法的原理、精度具有天生局限，如受天氣等外界條件影響大、需要通視、操作繁瑣等，因此決定了其在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的適用范圍較?。粯蛎娌『o損檢測(cè)技術(shù)有半電池電位法、探地雷達(dá)法、沖擊回波法、紅外熱成像法等，目前存在主觀性高、耗時(shí)長(zhǎng)和引起交通堵塞，檢測(cè)結(jié)果信息有限且不能做到定期和實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)準(zhǔn)確率有待提高等多類問題；針對(duì)伸縮縫變化檢測(cè)，有學(xué)者研究了采用CCD拍攝下伸縮縫的影像，而后利用圖像相關(guān)法進(jìn)行寬度變化分析，其分析精度受相機(jī)畸變、光源和橋梁振動(dòng)的影響較大；以人工目測(cè)為主的外觀損傷檢測(cè)，存在工作強(qiáng)度大、效率低、借助支架和檢測(cè)車才能接近結(jié)構(gòu)面，人員專業(yè)要求高的缺點(diǎn)。新建橋梁為保證建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期的安全，一般同步建設(shè)包含橋址環(huán)境、外部作用、結(jié)構(gòu)安全性和特殊部位等內(nèi)容的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但安裝設(shè)備較多導(dǎo)致建設(shè)費(fèi)用偏高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2011年中小橋數(shù)量占中國(guó)橋梁總數(shù)的90%以上，2010年國(guó)省縣道危橋18 689座；20世紀(jì)90年代及以前修建的橋梁約占總數(shù)的40%，一般橋梁建成投入使用后20～30年為病害集中爆發(fā)期。因此，如何針對(duì)大量危舊橋梁建立經(jīng)濟(jì)適用、高效率、客觀性強(qiáng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)成為亟待解決的問題。

近年來三維激光掃描技術(shù)迅猛發(fā)展，因其高精度、高速率、高密度、非接觸和多源數(shù)據(jù)融合的特性，在文物、礦山、隧道、建筑等領(lǐng)域應(yīng)用成效越發(fā)明顯。也有學(xué)者開始將其應(yīng)用于橋梁領(lǐng)域，如B.Riveiro描述了一種基于地面三維激光掃描儀獲取橋梁真實(shí)三維幾何模型的方法，并將其用于結(jié)構(gòu)分析；J.Valen?a結(jié)合圖像處理和地面激光掃描技術(shù)，提出了一種稱作MCrack-TLS的新方法來自動(dòng)提取混凝土橋梁裂縫；Hao Yang等利用三維激光進(jìn)行了橋梁變形監(jiān)測(cè)和表面建模，結(jié)果表明表面模型精度與混凝土粗糙度有關(guān)，但可以通過優(yōu)化提取和點(diǎn)云過濾提高精度；已有很多學(xué)者基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行建筑物、工業(yè)設(shè)備的輪廓圖、平立面圖繪制，常用方法有：① 利用三角網(wǎng)或NURBS曲面建立掃描對(duì)象的三維網(wǎng)格，而后通過剖切網(wǎng)格形成平立面圖；② 在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上人工采集足夠輪廓點(diǎn)，然后繪制立面圖；③ 通過點(diǎn)云模型，制作正射投影圖，然后人工勾繪邊界形成輪廓圖，但這些方法存在勾勒不準(zhǔn)確、表面失真和點(diǎn)選錯(cuò)位等缺陷。目前公開報(bào)道中，三維激光掃描技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用還較少，未制定成熟可靠的技術(shù)方法或規(guī)程。

為加強(qiáng)危舊橋梁檢測(cè)并保障橋梁健康安全運(yùn)行，該文以四川省成都市大邑縣虎跳河大橋?yàn)槔芯咳S激光掃描技術(shù)在橋梁的二維圖件繪制、病害檢測(cè)和變形分析等健康監(jiān)測(cè)方向的應(yīng)用，提供一種無損、三維、可視、數(shù)字化的技術(shù)方案，為橋梁管養(yǎng)技術(shù)提供有效補(bǔ)充，保障橋梁安全運(yùn)行。

2 虎跳河大橋概況

虎跳河大橋位于四川省成都市大邑縣新場(chǎng)鎮(zhèn)虎跳村，東經(jīng)103°22′5.55″，北緯30°32′57.91″，是縣道安(安仁鎮(zhèn))出(出江鎮(zhèn))路的控制性橋梁，跨越岷江支流西河。大橋于1982年建成通車，橋梁結(jié)構(gòu)形式為2×40 m的混凝土肋拱橋，橋面寬度8.4 m，橋梁凈矢高5 m，主拱圈截面高120 cm，寬2 m，設(shè)計(jì)荷載為汽車-13級(jí)。大橋處于中國(guó)南北地震帶上，歷史上周邊區(qū)域地震多發(fā)，近十多年就有汶川Ms8.0地震、蘆山Ms7.0級(jí)地震、九寨溝Ms7.0級(jí)地震等3場(chǎng)強(qiáng)震事件；加上社會(huì)發(fā)展導(dǎo)致車輛荷載及通行頻率的增加，極端天氣下洪水對(duì)橋墩橋臺(tái)沖刷嚴(yán)重，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷與劣化，影響行車安全。

3 數(shù)據(jù)采集與處理方法

3.1 使用儀器簡(jiǎn)介

Z+F IMAGER 5010C是德國(guó)Zoller+Frohlich公司生產(chǎn)的一款基于相位式測(cè)距原理的三維激光掃描儀，測(cè)距范圍為0.3～187.3 m，線性誤差≤1 mm，分辨率為0.1 mm，角度精度為0.007°，根據(jù)掃描質(zhì)量和角度分辨率2個(gè)參數(shù)組合，共設(shè)置了21種掃描模式，最高掃描速度可達(dá)1.016×106pts/s。采用的全站儀為L(zhǎng)eica Nova TM 50，測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為0.6 mm+1 ppm。

3.2 數(shù)據(jù)采集

橋梁三維激光掃描的流程分為現(xiàn)場(chǎng)踏勘、控制測(cè)量和實(shí)施掃描3個(gè)步驟。

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

查看橋梁周邊地形地質(zhì)條件，選擇通視、穩(wěn)定、不宜破壞的地點(diǎn)用作控制點(diǎn)埋設(shè)；調(diào)研橋梁主要病害類型、病害位置、程度與規(guī)模，據(jù)此設(shè)計(jì)掃描參數(shù)和站點(diǎn)，控制掃描精度水平。繪制包含掃描對(duì)象、控制點(diǎn)布設(shè)、掃描站位置的現(xiàn)場(chǎng)草圖，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)備。

3.2.2 控制測(cè)量

為保證位移監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，在虎跳河大橋的上下游和左右岸，共布設(shè)了3個(gè)帶基樁和強(qiáng)制對(duì)中盤的控制點(diǎn)(圖1)，平面控制測(cè)量按三角形網(wǎng)二等精度要求，高程控制測(cè)量按二等水準(zhǔn)精度要求，采用獨(dú)立平面和高程坐標(biāo)系，建立橋梁的控制網(wǎng)。經(jīng)觀測(cè)和平差后，控制點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

圖1 控制點(diǎn)布設(shè)及拱肋編號(hào)示意圖

表1 控制測(cè)量成果

3.2.3 實(shí)施掃描

預(yù)選10個(gè)掃描站點(diǎn)(圖 1)，實(shí)際掃描過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)河水、河床、植被和通行條件等適當(dāng)增減；在掃描距離范圍內(nèi)，按不同距離、高度布設(shè)4～8個(gè)靶標(biāo)，相鄰兩個(gè)掃描站點(diǎn)間，盡量保證有3個(gè)靶標(biāo)重疊；用全站儀測(cè)量靶標(biāo)中心點(diǎn)；以適當(dāng)?shù)母叨燃茉O(shè)掃描儀，采用Superhigh-High模式進(jìn)行360°全景掃描；掃描中不宜在腳架周邊走動(dòng)，注意是否有人或車輛遮擋掃描儀，記錄靶標(biāo)與掃描站間關(guān)系；掃描后觀察點(diǎn)云完整程度，是否需要補(bǔ)掃或重復(fù)掃描。重復(fù)上述步驟，直至完成整座橋梁的掃描。于6月19日完成汛期前的第一次掃描，共掃描16站；11月2日，完成汛期后的第二次掃描，共掃描12站。

3.3 預(yù)處理

車輛、行人、植被、灰塵等噪音點(diǎn)沒有反映橋梁實(shí)體特性，增加了電腦內(nèi)存負(fù)擔(dān)，降低數(shù)據(jù)計(jì)算和使用效率，因此采用孤立點(diǎn)、反射率、無效點(diǎn)、厚度、鏡面等方法，配合不同的參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)過濾點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪音點(diǎn)；對(duì)遮擋橋梁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用手動(dòng)框選刪除。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]試驗(yàn)結(jié)果可得，掃描對(duì)象與掃描儀距離在20m內(nèi)，水平中誤差優(yōu)于1.0mm，高程中誤差優(yōu)于1.5mm，可進(jìn)行三級(jí)變形測(cè)量，滿足規(guī)范[19]對(duì)中小型橋梁監(jiān)測(cè)的要求。故刪除掃描儀中心20m外的點(diǎn)云，以保證變形監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

3.4 數(shù)據(jù)拼接

以人機(jī)交互的方式選取所有靶標(biāo)點(diǎn)，后處理軟件自動(dòng)識(shí)別靶標(biāo)中心點(diǎn)，并根據(jù)點(diǎn)云數(shù)量、距離、傾斜角度等計(jì)算識(shí)別質(zhì)量，軟件采用同名點(diǎn)、CloudtoCloud和PlanetoPlane等方法計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，根據(jù)布爾沙公式[式(1)]進(jìn)行自動(dòng)拼接，按式(2)～(8)評(píng)價(jià)拼接精度，拼接結(jié)果與質(zhì)量見表2，由表2可見最大偏差均小于1.5mm，表示2次掃描點(diǎn)云拼接精度較高，滿足危舊橋梁變形監(jiān)測(cè)要求。

表2 掃描拼接精度(2014年)

(1)

dxi=xti-xri

(2)

dyi=yti-yri

(3)

dzi=zti-zri

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：X1、Y1和Z1為掃描儀坐標(biāo)系；X2、Y2和Z2為拼接坐標(biāo)系；X0、Y0和Z0為平移參數(shù)；εx、εy和εz為旋轉(zhuǎn)系數(shù)；m為放大系數(shù)；dxi、dyi和dzi為第i個(gè)靶標(biāo)原始x、y和z坐標(biāo)與拼接后坐標(biāo)的偏差；di為第i個(gè)靶標(biāo)原始坐標(biāo)與拼接后坐標(biāo)的偏差；μ為所有靶標(biāo)偏差的平均值；MD為平均偏差；D為標(biāo)準(zhǔn)差。

通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、拼接，最終形成橋梁點(diǎn)云如圖2所示，點(diǎn)云平均點(diǎn)間距為3.1 mm，基于此可進(jìn)行后續(xù)的橋梁健康監(jiān)測(cè)研究。

圖2 拼接形成橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.5 二維圖件繪制

由于橋梁建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)、管理機(jī)構(gòu)多次更迭、紙質(zhì)資料保管不善等原因，造成大部分中小型的危舊橋梁圖紙缺失，使得橋梁的維護(hù)、保養(yǎng)、改擴(kuò)建等極為不便。該文通過設(shè)置點(diǎn)云的固定面、分割面附近一定寬度(如5 mm)的點(diǎn)云，而后通過算法按內(nèi)側(cè)點(diǎn)、外側(cè)點(diǎn)、最高點(diǎn)、最低點(diǎn)或平均點(diǎn)等類型連接點(diǎn)云形成輪廓線，解決了因點(diǎn)云錯(cuò)選漏選而造成橋梁結(jié)構(gòu)輪廓失真的弊病。此次研究中，主要采用外側(cè)點(diǎn)繪制橋梁的橫斷面(圖3)和橋墩輪廓(圖4)，最低點(diǎn)繪制拱肋拱腹線(圖5)等二維圖件；在橫斷面圖(圖3)中，可對(duì)主要結(jié)構(gòu)尺寸和名稱進(jìn)行標(biāo)注，形成適用于日常管理的工作用圖。通過對(duì)圖4、6的進(jìn)一步加工，還可用于后續(xù)維護(hù)和變形分析。

圖3 橋梁橫斷面圖

圖4 橋墩輪廓線位移檢測(cè)示意圖(單位：mm)

圖5 不同跨徑沉降檢測(cè)示意圖(單位：m)

4 結(jié)果與分析

4.1 病害檢測(cè)

混凝土橋梁的病害主要分為表層缺陷和裂縫兩大類，混凝土剝落、表層成塊掉落、露筋、空洞等是表面缺陷的主要形式；裂縫可從安全、成因、力學(xué)機(jī)理、結(jié)構(gòu)承載力等角度進(jìn)行劃分?；谌S激光技術(shù)進(jìn)行病害檢測(cè)主要方法有2類：① 對(duì)點(diǎn)云處理后再進(jìn)行檢測(cè)；② 聯(lián)合點(diǎn)云和相片數(shù)據(jù)處理為正射影像圖，再通過圖像處理的方法進(jìn)行裂縫檢測(cè)。該文采用文獻(xiàn)[22]的方法，制作橋梁拱腹面的正射影像圖，將正射影像圖進(jìn)行邊緣化、雕刻化等專業(yè)圖像處理，再進(jìn)行人機(jī)交互的裂縫、水跡線、缺陷的識(shí)別與測(cè)量，獲得的結(jié)果如圖6所示。多次掃描并按同一參數(shù)處理后，即可分析裂縫的新增、延長(zhǎng)與收縮、消失情況，結(jié)果如圖7所示。對(duì)不同缺陷進(jìn)行編號(hào)，以便后續(xù)持續(xù)對(duì)比分析。

(A)原始圖像；(B)邊緣增強(qiáng)；(C)雕刻化；(D)病害識(shí)別；SJ表示水跡線；L代表裂縫；2A代表拱肋編號(hào))

注：Q代表缺陷；1B代表拱肋編號(hào)

4.2 垂向位移

為充分發(fā)揮點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對(duì)于全站儀和GNSS單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，分別利用面狀和線狀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行橋面與拱腹面的垂向位移分析。

4.2.1 橋面變化

選取兩次掃描中橋面的同一位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用點(diǎn)云后處理軟件進(jìn)行高程異常點(diǎn)的初次過濾，建立初步表面模型，而后刪掉表面異常峰值，形成最終橋面模型。以6月橋面為基礎(chǔ)，對(duì)比11月表面，得到橋面垂向變化(圖8)?？梢姌蛎娉两禐?8～-8 mm(“+”代表橋面上升，“-”代表橋面下降)，橋面中部位置靠近橋墩處總體沉降較小，為-1.5～+1.5 mm；橋面兩側(cè)變化幅度較大，部分區(qū)域超過±8 mm。

圖8 橋面垂向變形量圖

提取橋面每一點(diǎn)的沉降幅度(共計(jì)4 374 627點(diǎn))，按一定分組間距可得到每個(gè)區(qū)間的百分比，如圖9所示。從圖9可知：-3.0～-1.5 mm、-1.5～0 mm兩個(gè)區(qū)間所占比例最大，兩者之和為72.03%；沉降幅度大于±5.0 mm的較少，約占1.84%。

圖9 橋面垂向變形范圍比例圖

4.2.2 拱腹線沉降

設(shè)固定的豎直平面通過每個(gè)肋拱，拱肋編號(hào)見圖1。繪制拱腹線，在每條拱腹線的拱腳、1/4跨徑和拱頂?shù)?個(gè)固定位置，測(cè)量2次掃描形成拱腹線的距離(圖5)，即為垂向位移，結(jié)果如表3所示。選定的豎直剖面和不同跨徑監(jiān)測(cè)位置可持續(xù)利用，有利于今后持續(xù)進(jìn)行沉降測(cè)量和分析。

表3 拱腹線不同位置沉降統(tǒng)計(jì)表

由表3可知：拱腹線沉降平均值為5.08 mm；最大沉降值為13.24 mm，位于2A拱肋的1/4跨徑B；最小沉降值為-11.46 mm，位于2A拱肋的拱腳A。

4.3 水平位移

設(shè)置一個(gè)通過中心橋墩且高于一般洪水位，高程為494.746 m的固定平面，制作橋墩輪廓線，采用輪廓線和質(zhì)心等2種方案進(jìn)行橋墩水平位移監(jiān)測(cè)。

4.3.1 輪廓線位移

按0.1 m定距等分輪廓線，在等分點(diǎn)位置測(cè)量2次輪廓線間距離，即為橋墩水平位移數(shù)據(jù)(圖4)，共獲得418個(gè)位移測(cè)量數(shù)據(jù)。

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，橋墩最大位移量為27.43 mm，最小為0.01 mm，平均為3.56 mm(表4)。將位移量劃分為11組，統(tǒng)計(jì)每組所占百分比，形成圖10。由圖10可見位移量為2.09～3.13 mm所占比例最大，為20.10%；位移量為0.02～6.24 mm的6個(gè)區(qū)間所占比例都大于10%，總占比達(dá)89.95%。

表4 輪廓線位移統(tǒng)計(jì) mm

圖10 輪廓線位移范圍比例圖

4.3.2 質(zhì)心點(diǎn)

根據(jù)前文獲取橋墩輪廓線，采用文獻(xiàn)[23]的方法計(jì)算橋墩2次掃描輪廓線的質(zhì)心點(diǎn)，由此可計(jì)算橋墩質(zhì)心位移量及方向(圖11)，獲得結(jié)果見表5。由表5可見橋墩質(zhì)心向213.81°方向(西河下游)移動(dòng)了3.11 mm，位移距離與通過輪廓線計(jì)算的平均值很接近，進(jìn)一步說明了此方法的有效性。

圖11 橋墩質(zhì)心位移檢測(cè)示意圖

表5 質(zhì)心位移統(tǒng)計(jì)(2014年)

5 結(jié)語(yǔ)

利用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)大邑縣虎跳河大橋進(jìn)行了健康指標(biāo)分析，復(fù)原了缺失的橋梁二維圖件，并制作了拱肋拱腹線和橋墩輪廓線用于變形分析；結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像分析方法，進(jìn)行了橋梁混凝土表面病害的識(shí)別、測(cè)量和對(duì)比。橋面垂向變化分析結(jié)果顯示：橋墩附近沉降較小、橋臺(tái)附近沉降幅度較大；拱腹線不同位置處的沉降平均值為5.08 mm。通過定距等分輪廓線檢測(cè)的橋墩平均水平位移為3.56 mm；通過橋墩質(zhì)心分析的水平位移為3.11 mm，方向?yàn)橄蛭骱酉掠?。兩種方法分析的位移量相近。

上述試驗(yàn)與分析結(jié)果表明：采用合理的控制測(cè)量、靶標(biāo)布設(shè)、采集參數(shù)、數(shù)據(jù)處理和資料分析方法，三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度可達(dá)到較高水平，滿足危舊橋梁病害檢測(cè)和變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求。

現(xiàn)有三維激光掃描技術(shù)對(duì)裂縫寬度的測(cè)量還較為困難，這將是今后儀器性能提升和分析方法改進(jìn)的主要方向；基于圖像處理技術(shù)進(jìn)行裂縫識(shí)別，已提出閾值分割、邊緣檢測(cè)、監(jiān)督學(xué)習(xí)等自動(dòng)識(shí)別方法，今后將朝著計(jì)算機(jī)視覺、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能識(shí)別的方向發(fā)展。