橋梁檢測(cè)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

丁鵬劍

（江西省公路工程檢測(cè)中心，江西 南昌 330013）

0 引言

橋梁檢測(cè)工作的實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建設(shè)模型，可以提高檢測(cè)的精度。這種方式獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，應(yīng)用三維激光掃描方式完成工作，落實(shí)橋梁檢測(cè)的工作和要求，能夠填補(bǔ)傳統(tǒng)變形檢測(cè)不能精確定點(diǎn)測(cè)量的檢測(cè)空白。對(duì)于實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)施系統(tǒng)化的處理，獲得被測(cè)量部位上的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并開(kāi)展連續(xù)性的三點(diǎn)測(cè)試，進(jìn)而可以形成全新的模型框。在檢測(cè)環(huán)節(jié)能夠定期觀(guān)察了解結(jié)構(gòu)的變形狀況，得出橋梁的使用狀態(tài)。三維激光技術(shù)能掌握足夠的數(shù)據(jù)信息，快速完成模型構(gòu)建，對(duì)提高掃描精度產(chǎn)生積極的意義，在橋梁檢測(cè)中可以快速地完成形態(tài)分析、變形評(píng)價(jià)，所以在橋梁變形檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1 技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)

目前的三維激光掃描技術(shù)包含多種類(lèi)型，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)，比如依據(jù)空間載體上的差異，將其分為機(jī)載、車(chē)載、地面設(shè)備等；依據(jù)不同測(cè)量方式，可以分為脈沖式、相位式、光學(xué)結(jié)構(gòu)式等?？梢越Y(jié)合不同使用情況，選擇合適的設(shè)備類(lèi)型。三維掃描技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的是激光測(cè)距技術(shù)，通過(guò)應(yīng)用光速水平和垂直角構(gòu)建點(diǎn)云模型，在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備獲取相應(yīng)的時(shí)間數(shù)據(jù)信息和距離信息，然后得出三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

在地面掃描技術(shù)中，包含很多組成部分，應(yīng)加強(qiáng)各個(gè)部分和環(huán)節(jié)的控制，在并根據(jù)需要選擇合適的掃描頭，利用發(fā)射、接收信息的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位，獲取相應(yīng)的空間位置信息。控制器結(jié)構(gòu)內(nèi)，以距離測(cè)量模塊、掃描控制模塊和計(jì)算機(jī)總線(xiàn)作為主要的組成部分，進(jìn)行反射強(qiáng)度的計(jì)算分析，經(jīng)過(guò)分析確定后，獲得的信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理器、存儲(chǔ)器內(nèi)，再開(kāi)展深入的分析。三維掃描技術(shù)獲取坐標(biāo)參數(shù)后，首先應(yīng)確定相應(yīng)的空間直角坐標(biāo)系，明確原點(diǎn)，然后明確坐標(biāo)參數(shù)，為后續(xù)工作提供基礎(chǔ)。在三維模型建設(shè)過(guò)程中，三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)的獲取可以得出相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息，從實(shí)測(cè)定位、遙感測(cè)繪、光學(xué)測(cè)繪等方面出發(fā)，收集各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，利用測(cè)量程序、三維激光掃描技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地建立模型數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該方式的精度達(dá)到毫米級(jí)，同時(shí)還具備操作便捷、采集密度高、主動(dòng)測(cè)繪等優(yōu)勢(shì)，不受外部環(huán)境的干擾。應(yīng)用相機(jī)和定位系統(tǒng)可以創(chuàng)建三維實(shí)體模型，得到點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)信息，測(cè)量質(zhì)量和效率比較高、工作強(qiáng)度比較低、作業(yè)量較少。

2 橋梁變形的檢測(cè)方案

某大型橋梁工程設(shè)計(jì)為懸索形式，跨徑尺寸大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工標(biāo)準(zhǔn)要求較高，技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況確定檢測(cè)實(shí)施方案，包含下述幾個(gè)方面：

2.1 檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

分析橋梁變形數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行，在現(xiàn)場(chǎng)明確基準(zhǔn)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)布置時(shí)，要確保數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、精確以及可靠，分析各方面因素，優(yōu)化數(shù)據(jù)點(diǎn)的設(shè)置，提高系統(tǒng)運(yùn)行精度。當(dāng)前，效果最佳的是應(yīng)用GPS 系統(tǒng)與全站儀測(cè)量聯(lián)合應(yīng)用，獲取坐標(biāo)參數(shù)，然后即可形成變形點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)變形量的分析和控制起到積極的作用。

2.2 三維激光技術(shù)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)可以完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，還要分析變形量的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而可以掌握橋梁變形的情況。預(yù)處理點(diǎn)數(shù)據(jù)是重要的工作，目的是將大量的數(shù)據(jù)信息中個(gè)別冗余數(shù)據(jù)點(diǎn)去除掉，還可以完成各項(xiàng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接以及渲染處理。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，應(yīng)做的是優(yōu)化數(shù)據(jù)，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為需要的數(shù)據(jù)格式，使用Micro.Station完成數(shù)據(jù)處理，獲得文本數(shù)據(jù)信息，并使用相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化與改進(jìn)，提高數(shù)據(jù)的利用率。

2.3 變形檢測(cè)數(shù)據(jù)變形分析方法

預(yù)處理工作結(jié)束后，得到優(yōu)化后的數(shù)據(jù)信息，在系統(tǒng)內(nèi)直接進(jìn)行橋梁變形量數(shù)據(jù)的獲取。因?yàn)橄到y(tǒng)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是整體性的，所以通過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理即可得到整個(gè)橋梁變形的信息，再根據(jù)分析軟件得到的整體形變數(shù)據(jù)信息，分析特定范圍內(nèi)的模型信息，最終掌握形變信息，借助LiDARSurvey 可以進(jìn)行整個(gè)區(qū)域的隔離性處理，得出點(diǎn)位受力數(shù)據(jù)，為橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)條件。在變形檢測(cè)環(huán)節(jié)，獲得的變形數(shù)據(jù)分為下述幾個(gè)方面：基于LiDARSurvey 建設(shè)點(diǎn)模型，渲染處理后獲取相應(yīng)模型，分為曲面模型與線(xiàn)模型，了解各個(gè)模型的變化量，即可得出變形狀態(tài)信息。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 控制網(wǎng)測(cè)量

某橋梁項(xiàng)目的工程量巨大，是當(dāng)?shù)刂匾慕煌ㄒ?，?duì)整個(gè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要的影響。整個(gè)橋梁項(xiàng)目建設(shè)技術(shù)水平要求高，施工難度也比較大。該項(xiàng)目的建設(shè)總長(zhǎng)度為12.89km，包含兩座特大的跨海大橋。根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求，該項(xiàng)目選用的是鋼箱梁橋梁形式，主跨結(jié)構(gòu)尺寸比較大，引橋設(shè)計(jì)為預(yù)制拼裝箱梁形式，采取分節(jié)段的制造方式。在橋梁正式投入使用之前，對(duì)橋梁實(shí)施荷載試驗(yàn)分析，確定是否能夠達(dá)到正常通行的標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)分析時(shí)，需要進(jìn)行全面變形檢測(cè)，只有達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求，才能投入使用。在變形檢測(cè)中，技術(shù)人員決定應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)開(kāi)展，并根據(jù)需要在現(xiàn)場(chǎng)布置控制點(diǎn)和基準(zhǔn)網(wǎng)。利用測(cè)繪系統(tǒng)可以開(kāi)展全面的復(fù)核與檢測(cè)工作，并應(yīng)用靜網(wǎng)觀(guān)測(cè)的方法，形成全面的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，對(duì)數(shù)據(jù)獲取產(chǎn)生積極的作用。在觀(guān)測(cè)的環(huán)節(jié)，一般需要觀(guān)測(cè)1h，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，發(fā)揮出衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使用衛(wèi)星數(shù)量在4 顆以上，觀(guān)測(cè)1.6個(gè)小時(shí)以上。為了防止出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差，各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)都要進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)中設(shè)置，再獲取數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)。工作開(kāi)展中，采用中心連接螺栓的方式固定儀器，將對(duì)中偏差限定在合理的范圍內(nèi)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)設(shè)置工作結(jié)束后，應(yīng)用南方GNSS 接收機(jī)對(duì)整個(gè)橋梁項(xiàng)目實(shí)施靜態(tài)觀(guān)測(cè)。通過(guò)控制網(wǎng)二維約束平差與三維自由網(wǎng)平差后，獲得各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)信息。

3.2 數(shù)據(jù)采集

結(jié)合不同位置上的地形條件，選擇合適的三維激光掃描儀設(shè)備，以達(dá)到數(shù)據(jù)精度的要求。結(jié)合此次測(cè)量工作的需要，選擇應(yīng)用RIEGLVZ-400i 設(shè)備。結(jié)合此次橋梁的變形檢測(cè)工作的要求，按照如下順序進(jìn)行觀(guān)測(cè)設(shè)置：

第一，在整個(gè)橋梁的西側(cè)位置上，在臨江一側(cè)以及屋頂部位上設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，并對(duì)橋梁的主纜、吊索、索夾、索鞍、塔柱等進(jìn)行掃描，了解變形數(shù)據(jù)信息。

第二，對(duì)于測(cè)量的東塔、西塔的引橋結(jié)構(gòu)，在橋梁上設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，在定向處理結(jié)束后，開(kāi)展掃描和處理。為了使檢核以及拼接作業(yè)都能夠順利完成，在每一次基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)結(jié)束后，都要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重合性?huà)呙瑁詫?shí)現(xiàn)公共面的重合性設(shè)置，即可對(duì)測(cè)量后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢核確定，明確具體的基準(zhǔn)點(diǎn)的精度信息。根據(jù)此次設(shè)置的東塔、西塔的塔基位置設(shè)置紙質(zhì)標(biāo)靶，經(jīng)過(guò)掃描的環(huán)節(jié)，可以進(jìn)行標(biāo)靶位置的掃描設(shè)定。再應(yīng)用徠卡精度為0.5s 的全站儀TM50I 測(cè)量。根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)置形式，完成標(biāo)靶中心測(cè)量工作，得到三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)的激光掃描數(shù)據(jù)測(cè)量和應(yīng)用起到一定的作用。基準(zhǔn)點(diǎn)距離標(biāo)靶的間距控制在300m以?xún)?nèi)，在后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理環(huán)節(jié)，軟件自動(dòng)識(shí)別標(biāo)靶中心數(shù)據(jù)信息，并可以快速確定坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息。因?yàn)檎麄€(gè)橋梁的尺寸比較大，在荷載試驗(yàn)中，采取分級(jí)加載的方式。在整個(gè)荷載試驗(yàn)的過(guò)程中，溫度的變化影響比較大，對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)部位的數(shù)據(jù)信息都會(huì)產(chǎn)生很大影響，是難以忽視的，雖然對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度有精確的記錄，但是溫度場(chǎng)變化有很高的復(fù)雜性，應(yīng)及時(shí)做出修正處理。為了避免溫度荷載對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生很大的影響，在試驗(yàn)前，應(yīng)落實(shí)24h 的索塔塔偏檢測(cè)和記錄。使用全站儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，間隔1h 記錄一側(cè)塔偏的變化情況。為了快速完成數(shù)據(jù)校核，索塔頂部需要設(shè)置投標(biāo)靶，再應(yīng)用三維掃描儀實(shí)現(xiàn)觀(guān)測(cè)，快速掌握變形數(shù)據(jù)信息，了解索塔形變狀態(tài)。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)業(yè)空間，應(yīng)用全站儀可以分析數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)比確定變形量數(shù)據(jù)信息。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在此次數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)和分析中，外業(yè)掃描后，系統(tǒng)會(huì)接收大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，甚至超過(guò)10 億個(gè)。但是在操作中，有很多因素產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不合格，點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)有較多的冗余數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)精度造成不利的影響。因此，需要利用先進(jìn)技術(shù)將冗余數(shù)據(jù)消除掉，以免給建模造成負(fù)面的影響，提高建模的質(zhì)量。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)，先要優(yōu)化掃描數(shù)據(jù)信息，通過(guò)系統(tǒng)合理做出調(diào)整與改進(jìn)，得出符合使用需要的格式，開(kāi)展優(yōu)化處理。自然環(huán)境中的光線(xiàn)、溫度、濕度等方面要素都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生影響，且在測(cè)量中，設(shè)備會(huì)發(fā)生一定的振動(dòng)、鏡面反射等問(wèn)題，所以應(yīng)隨時(shí)關(guān)注點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，消除數(shù)據(jù)偏差的影響。在現(xiàn)場(chǎng)掃描工作實(shí)施中，因?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位存在限制和影響，并且整個(gè)橋梁組成是比較復(fù)雜的，無(wú)法一次性獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，因此在方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)落實(shí)分塊掃描操作，再獲得各個(gè)塊區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接把各個(gè)區(qū)的數(shù)據(jù)整合應(yīng)用，才能計(jì)算確定誤差參數(shù)，得出拼接精度。整個(gè)過(guò)程中，只要發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就必須立即解決，以免問(wèn)題擴(kuò)大造成嚴(yán)重的后果。系統(tǒng)直接把多余點(diǎn)云剔除掉，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊導(dǎo)出。從實(shí)際應(yīng)用效果看，此次應(yīng)用的三維激光掃描儀獲得變形數(shù)據(jù)時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度控制在5mm 左右。整個(gè)橋梁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接工作結(jié)束后，即可完成平差整理性處理，從而獲得的點(diǎn)云平面與高差偏差不超過(guò)1～2cm。

3.4 點(diǎn)云建模

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過(guò)系統(tǒng)可以完成數(shù)據(jù)建模作業(yè)，構(gòu)建出符合人們使用需要的模型。使用計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)展建模與分析，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的方式，將不同部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行著色處理，再渲染處理，獲取需要的圖像，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，刪除離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，達(dá)到使用效果。在這種條件之下，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)完成降噪，將系統(tǒng)內(nèi)的冗余數(shù)據(jù)完全剔除掉，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)達(dá)到平滑性要求，并利用采樣功能可以抽稀處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，然后得到相應(yīng)的采樣間隔和曲率數(shù)據(jù)信息，最終構(gòu)建出完善的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)，優(yōu)化視圖。最后，對(duì)獲得的模型實(shí)施“封裝”處理，以獲取三角網(wǎng)模型。

3.5 點(diǎn)云精度比對(duì)

使用高精度的全站儀即可把索塔塔基的坐標(biāo)參數(shù)傳輸?shù)较到y(tǒng)坐標(biāo)內(nèi)，與之相應(yīng)的點(diǎn)云坐標(biāo)參數(shù)對(duì)比分析，可以得出表1 的結(jié)論。

表1 承臺(tái)坐標(biāo)對(duì)比（部分）

3.6 變形分析

根據(jù)此次觀(guān)測(cè)24h 獲取的塔偏數(shù)據(jù)信息，分析確定檢測(cè)參數(shù)值，并進(jìn)行變形數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出精度數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)以上各項(xiàng)處理措施，把獲取到的模型信息進(jìn)行系統(tǒng)化處理，再分析相關(guān)的變形數(shù)據(jù)，可以組合形成模型系統(tǒng)，開(kāi)展數(shù)據(jù)信息分析和控制。應(yīng)用三維數(shù)據(jù)對(duì)比方式，可以快速處理模型信息，以便設(shè)計(jì)人員快速掌握和了解數(shù)據(jù)偏差。利用模型圖能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映出偏差最大位置的信息，了解這一要素，就可以確定橋梁應(yīng)力集中點(diǎn)的位置，掌握局部偏差數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是不需要應(yīng)用光源即可實(shí)現(xiàn)，即使光線(xiàn)不充足，也能順利實(shí)施測(cè)量作業(yè)，達(dá)到精準(zhǔn)度的要求。但是在實(shí)際測(cè)量的環(huán)節(jié)，由于外部因素的干擾和影響，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)景復(fù)刻，根據(jù)需要使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建設(shè)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高。使用三維激光掃描儀可以獲取橋梁變形數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后建設(shè)完善的變形檢測(cè)模型，應(yīng)用范圍比較大。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描儀的精度不斷提高，一般可以達(dá)到5mm 的精度，從而提高橋梁變形檢測(cè)的效果。本文通過(guò)實(shí)際案例分析三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，結(jié)果表明，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)，各方面數(shù)據(jù)符合橋梁變形檢測(cè)要求。