三維激光掃描技術(shù)在古橋評估中的應(yīng)用

宋曉杰，劉其軍，龔海涵 ，朱利明，周德梁

（1.南京工程咨詢中心有限公司，江蘇 南京 210031；2.南京揚子江新城發(fā)展有限公司，江蘇 南京 211899 3.南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

1 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1～3]。三維激光掃描技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一項技術(shù)革新，眾多學(xué)者都針對三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪與保護領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究。

周俊召[4]等將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于石窟石刻文物保護測繪領(lǐng)域，并便利地得到了新的測繪成果。蔡廣杰[5]使用三維激光掃描儀完成了大昭寺的數(shù)字化掃描，初步探索了三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護中的工程化應(yīng)用。Allen[6]等利用掃描儀進行了圣皮埃爾大教堂的三維重建。馬宏毓[7]等提出將BIM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建了屬性信息豐富的古建筑三維模型。本文以無錫大公橋為研究對象，通過對其進行三維掃描，獲取點云數(shù)據(jù)，生成大公橋點云模型，并結(jié)合MIDAS建立有限元模型，對其現(xiàn)狀進行綜合分析與評估，為大公橋的后期修繕和保護提供數(shù)據(jù)支持。

2 三維激光掃描技術(shù)原理與特點

三維激光掃描技術(shù)突破了單點測量的限制，通過向目標(biāo)表面發(fā)射連續(xù)激光束就可快速獲取點云數(shù)據(jù)。結(jié)合配套設(shè)備采集到的色彩和紋理信息，再利用相關(guān)軟件就可以高分辨率、大面積地復(fù)建掃描對象的三維空間模型[8]。三維激光掃描不與目標(biāo)物體之間接觸，受環(huán)境因素限制小且測量速度快，精度高。

測量時三維激光掃描儀建立以儀器為中心的系統(tǒng)坐標(biāo)系，X軸位于橫向掃描面內(nèi)，Y軸在面內(nèi)與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描面，三維激光掃描技術(shù)測量原理如圖1所示，則可以用式（1）來表示監(jiān)測點在掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

圖1 三維激光掃描技術(shù)測量原理圖

式中：α為掃描儀測量到的水平角，β為掃描儀測量到的豎直角，S為坐標(biāo)原點到監(jiān)測點的距離。

3 三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護中的應(yīng)用實例

本文三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用對象為無錫清名橋歷史街區(qū)大公橋。大公橋位于南長街古運河上，建于民國19年。大公橋結(jié)構(gòu)完整，保存較好，是南長街和古運河歷史發(fā)展的重要實物見證，承載著當(dāng)?shù)匚幕L(fēng)俗與人情，作為“千橋會”建成的第一座橋梁，代表著“千橋會”所建橋梁的技術(shù)和藝術(shù)特點。大公橋為超靜定連續(xù)剛構(gòu)橋，兼有拱橋特點，結(jié)構(gòu)受力非常巧妙。大公橋現(xiàn)狀如圖2所示，2002年大公橋被評為江蘇省文物保護單位。

圖2 大公橋現(xiàn)狀照片

4 三維激光掃描工作流程

本次應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)流程見圖3所示。

圖3 三維激光掃描工作流程

4.1 點云數(shù)據(jù)獲取

4.1.1 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集，具有光的遮擋性。因此，為了獲得掃描對象完整的點云數(shù)據(jù)，掃描需要從多個角度及方向進行。使用地面掃描儀進行數(shù)據(jù)采集前，必須進行實地勘察，檢查掃描場地的通視情況和目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)特征，確定最佳的掃描路線、掃描儀和標(biāo)靶球的擺放位置，以及所需的掃描站數(shù)等，使得掃描工作全面高效。本次掃描測站點位布置圖見圖4所示。

圖4 測站布置示意圖

4.1.2 三維激光掃描儀

在三維激光掃描工作中使用不同的掃描儀會得到精度不同的結(jié)果，因此需要根據(jù)實際的工作需要選擇合適的掃描儀器[9]。本次掃描主要用到的儀器為法如Focus3D X330三維激光掃描儀，其具有體積小、重量輕、換站速度快等優(yōu)點，比較適合換站頻繁與站點布置較密的掃描工作，其主要性能參數(shù)見表1所示。

三維掃描儀性能參數(shù) 表1

4.2 點云數(shù)據(jù)處理

4.2.1 點云拼接

通過三維激光掃描工作獲得的各個位點的點云數(shù)據(jù)僅顯示其站點掃描范圍內(nèi)的信息。想要獲得掃描對象的完整信息需要拼接多個站點的數(shù)據(jù)[10]。幾種拼接方法中，基于標(biāo)靶球的拼接比較常用，配準(zhǔn)精度也比較高。本次掃描利用標(biāo)靶球作為公共特征點，數(shù)據(jù)處理時識別標(biāo)靶球點云，求解參數(shù)，進行點云拼接。后期處理時，對兩測站點云中的標(biāo)靶球進行標(biāo)定，以擬合標(biāo)靶球中心點計算參數(shù)，進行點云配準(zhǔn)。

4.2.2 點云去噪

在掃描操作過程中，由于周圍環(huán)境、儀器本身和操作者的影響，點云數(shù)據(jù)中不可避免地會產(chǎn)生噪點。所謂噪點，就是掃描到不屬于掃描對象的錯誤點。噪點的存在會對點云的整體質(zhì)量造成影響，并干擾后續(xù)點云模型的建立，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行去噪處理，否則就會影響模型的處理速度和精度[11]。處理噪點采用的方法通常包括：調(diào)整掃描的角度，改變儀器的掃描參數(shù)，以及利用濾波的方法等。同時還可以改變掃描對象和與儀器之間的距離以增強反射率。圖5是部分站點明顯噪聲被刪除后的情況。

圖5 初步去噪后點云數(shù)據(jù)圖

4.3 點云模型構(gòu)建

通過對掃描獲得的點云數(shù)據(jù)進行拼接與去噪及其他相關(guān)處理后，即可進行點云模型的構(gòu)建，真實地反映物體的立體形狀。三維激光掃描技術(shù)所獲得的古建筑三維模型可應(yīng)用于古建筑的修繕與保護、二維圖紙的輸出、研究與展示等方面，根據(jù)最終需求與應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可采用不同的建模方法，使得原始的數(shù)據(jù)信息得到充分利用。本次掃描生成的點云立體模型見圖6所示。

圖6 點云模型圖

5 有限元分析

5.1 特征信息獲取

為了獲得大公橋現(xiàn)狀的精確尺寸與相關(guān)特征信息，在前述對點云數(shù)據(jù)的輕量化工作的基礎(chǔ)上，依據(jù)已建好的三維模型，利用PolyWorks軟件準(zhǔn)確選取大公橋的特征點，描繪特征線，進行高精度二維圖紙的輸出繪制。描繪完后的二維圖紙能夠以(*.dxf)的格式導(dǎo)出，在AuTo-CAD軟件中打開。從三維模型中描繪出的二維圖紙帶有其原有的三維坐標(biāo)，因此不但可以在AuToCAD中體現(xiàn)大公橋的二維形狀，還可以在三維視圖中直接量測和標(biāo)注所需要的信息，可為后續(xù)有限元模型的建立與大公橋的評估保護工作提供重要的數(shù)據(jù)支撐。依據(jù)點云數(shù)據(jù)與模型繪制的大公橋立面圖見圖7所示。

圖7 大公橋立面圖（單位：cm）

5.2 有限元模型建立

根據(jù)三維點云數(shù)據(jù)與模型獲得的精確尺寸與相關(guān)特征信息，并結(jié)合已有相關(guān)資料，采用MIDAS CIVIL2019建立無錫大公橋有限元模型，進行結(jié)構(gòu)現(xiàn)有檢算與評估。該橋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，參考相關(guān)規(guī)范及文獻，取混凝土強度等級為 C15，彈性模量 Ec=2.2×104MPa；出于安全考慮，鋼筋采用R235，彈性模量Es=2.1×105MPa。恒載包括梁體自重、橋面鋪裝、護欄。人群荷載按照《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）中規(guī)定取值。橋臺后土壓力按土層參數(shù)、橋臺寬度和高度考慮。墩梁采用彈性約束中的剛性連接，主墩底部完全固結(jié)。有限元模型示意圖見圖8所示，構(gòu)件編號見圖9所示。

圖8 大公橋有限元模型示意圖

圖9 構(gòu)件編號圖

5.3 結(jié)構(gòu)自振頻率計算

在大公橋的三跨跨中分別布置振動測點，使用動態(tài)信號測試系統(tǒng)和拾振器對大公橋結(jié)構(gòu)自振頻率進行測試，實測得到大公橋豎向自振頻率為13.3Hz，由模型計算所得的自振頻率為13.1Hz，可知結(jié)構(gòu)一階豎彎振型的計算自振頻率與實測自振頻率接近。參照《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-1995）中的相關(guān)規(guī)定，天橋上部結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率應(yīng)不小于3Hz。由此可知，大公橋自振頻率滿足規(guī)范要求。

5.4 強度計算

5.4.1 抗彎承載力計算

計算可得2#縱梁抗彎承載力最大，計算結(jié)果見表2所示，結(jié)果云圖見圖10所示。由計算結(jié)果可知，在荷載組合作用下，大公橋梁體控制截面抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

圖10 2#縱梁承載能力組合彎矩包絡(luò)及對應(yīng)抗力圖

5.4.2 抗剪承載力計算

計算可得2#縱梁抗剪承載力最大，計算結(jié)果見表3所示，結(jié)果云圖見圖11所示。由結(jié)果可知，在荷載組合作用下，大公橋梁體控制截面抗剪承載能力滿足規(guī)范要求。

大公橋梁體抗剪承載能力計算結(jié)果 表3

圖11 2#縱梁承載能力組合剪力包絡(luò)及對應(yīng)抗力圖

6 結(jié)語

本文基于古橋評估及保護的需求，對古建筑領(lǐng)域三維激光掃描技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，結(jié)合無錫大公橋的三維掃描流程，研究了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，建立了大公橋的有限元模型，對其現(xiàn)狀進行了檢測與評估，主要結(jié)論如下：

①三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、限制小、速度快、精度高等優(yōu)點，在應(yīng)用過程中突破了單點測量方法的技術(shù)局限，與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比優(yōu)勢明顯；

②基于三維激光掃描技術(shù)獲取大公橋點云數(shù)據(jù)，結(jié)合MIDAS應(yīng)用建立有限元模型，進行數(shù)值模擬計算，經(jīng)綜合分析評估，各項計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求；

③三維激光掃描技術(shù)是一項新興的測量技術(shù)，對于古建筑的數(shù)字化保護具有重要意義。希望通過本文的研究，能夠提高古建筑測繪及保護工作的效率，為古建筑保護工作作出貢獻。