基于影像掃描技術(shù)的京石高速公路橋梁病害檢測研究

趙治國

（河北京石高速公路開發(fā)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

影像掃描技術(shù)具有精度高、速度快、測程遠(yuǎn)、易操作等優(yōu)勢，除了在地形測量、礦山測量等傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用外，在高速公路橋梁檢測等領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣闊。本文將分析影像掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法，并在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，將影像掃描技術(shù)在京石高速公路橋梁檢測中應(yīng)用。

1 影像掃描技術(shù)的特點

影像掃描儀將傳統(tǒng)的全站儀測量功能與現(xiàn)在三維掃描技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)相互結(jié)合，兼具全站儀與掃描儀的功能，可以實現(xiàn)對棱鏡的自動鎖定和跟蹤功能，實現(xiàn)單人進(jìn)行測量作業(yè)工作，極大地提高了作業(yè)效率。

（1）與傳統(tǒng)檢測方法對比，該方法精確度更高，距離測量精度更優(yōu)。

（2）靈活度更好。地面墩臺直接架設(shè)儀器即可掃描拍照，省去高空作業(yè)、高速公路設(shè)置障礙麻煩，持操控手簿在車?yán)锛纯蓲呙枇繙y。而傳統(tǒng)橋梁檢測方式較為笨拙，靈活性較差。

（3）作業(yè)更簡單易行。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，利用全站儀功能實現(xiàn)多種測量方法靈活應(yīng)用，易學(xué)易用。

（4）作業(yè)效率更高。內(nèi)業(yè)處理效率提升一倍以上。

（5）外業(yè)可直接出成果，也可把數(shù)據(jù)傳回辦公室出成果，且外業(yè)點云可在外業(yè)實時呈現(xiàn)，方便一線人員及時檢查數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢查，有遺漏或數(shù)據(jù)異常的，可實時調(diào)整，符合基本調(diào)查流程規(guī)范要求。數(shù)據(jù)可存檔，可矢量化。

2 影像掃描的數(shù)據(jù)采集

（1）閃電3DM技術(shù)

閃電3DM 技術(shù)是高精度測量和高速掃描能力的技術(shù)保障，依靠這一技術(shù)的影像掃描儀可以實現(xiàn)單一儀器在捕獲高精度的全站儀測量數(shù)據(jù)的同時，進(jìn)行高速3D影像掃描，儀器性能更為穩(wěn)定。

影像掃描儀測量速度快、效率高，測量速度最高可達(dá)26 600 點/s，測程可達(dá)600m。利用捕獲點云數(shù)據(jù)，能夠自動配準(zhǔn)到測量工作流中。從所設(shè)測站獲取全穹頂掃描或僅是對某個區(qū)域進(jìn)行選取掃描，采集的所有信息都將完整地進(jìn)入到測量坐標(biāo)系統(tǒng)中，與以往測量數(shù)據(jù)直接連接。

（2）Trimble VISION（望遠(yuǎn)鏡相機(jī)）技術(shù)

望遠(yuǎn)鏡相機(jī)遠(yuǎn)距離獲取局部細(xì)節(jié)信息，最大可放大84 倍，1km 外物體清晰可見。外業(yè)作業(yè)完成的質(zhì)檢工作是整個作業(yè)流程中的重要一環(huán)，該技術(shù)可以提供現(xiàn)場影像資料，保留原始資料，便于作業(yè)人員進(jìn)行自檢及后期檢查?，F(xiàn)場工作人員也可以通過照片查找裂縫，現(xiàn)場直接量測裂縫。針對微小的裂縫，可以直觀明了地在手簿上查看、掃描、量測，所有照片配合點云可以實現(xiàn)1∶1量測，數(shù)據(jù)真實可靠，S型、曲線型等裂縫類型都可以在軟件中直接畫出，便于統(tǒng)計尺寸和面積，數(shù)據(jù)以電子文檔保存，方便調(diào)用和查詢。

全站儀式的架站方式、導(dǎo)線式工作流，可真正實現(xiàn)多站數(shù)據(jù)的誤差控制，減少架站數(shù)據(jù)間誤差的不斷累積。用符合測量人的工作流程規(guī)范，控制獲取到的海量點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

儀器本身精度根據(jù)儀器對目標(biāo)物體的距離遠(yuǎn)近、反射面的反射程度不同而有差異，但均能滿足0.1～10mm 的精度要求。自動獲取點云真實坐標(biāo)，無需點云拼接，無需坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。選區(qū)式靈活的掃描模式方便獲取特定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，減少冗余數(shù)據(jù)。采用非接觸測量模式，有利于保護(hù)被測物體，無需埋點，節(jié)省資金和時間，減少了安置反射標(biāo)志帶來的安全隱患。

3 影像掃描的數(shù)據(jù)處理

影像掃描技術(shù)能夠嵌入客戶現(xiàn)有的行業(yè)技術(shù)工作流，也可以完善和改進(jìn)傳統(tǒng)作業(yè)模式。依靠操作簡便的專業(yè)軟件，方便用戶進(jìn)行外業(yè)智能定點放樣；依托功能強(qiáng)大的專業(yè)軟件，整合客戶所有測繪儀器的數(shù)據(jù)處理流程，不僅局限于影像掃描儀。專業(yè)軟件的一鍵式操作模式，極大簡化了用戶學(xué)習(xí)過程，降低用戶學(xué)習(xí)成本，同時為用戶增加了業(yè)務(wù)范圍和可能。

（1）TA智能操控技術(shù)

影像掃描儀顛覆了傳統(tǒng)作業(yè)人員接觸式操作儀器的工作方式，依托強(qiáng)大的MagDrive （磁驅(qū)技術(shù)），使用TA（Trimble Access）數(shù)據(jù)庫軟件遠(yuǎn)程連接儀器，在手簿上輕松實現(xiàn)外業(yè)的所需的所有操作，在外業(yè)惡劣殘酷的環(huán)境下，為作業(yè)人員提供方便。

在TA 中不僅可以進(jìn)行手勢控制、代碼測繪、散點測量、坐標(biāo)計算，在放樣過程中還能實時顯示影像或地圖，必要情況下的簡單距離和面積計算也可在外業(yè)實時進(jìn)行。

（2）高效的數(shù)據(jù)處理軟件

全面綜合并可擴(kuò)展的工具套件，能夠用于各種地理空間業(yè)務(wù)，可充分挖掘GNSS 測量數(shù)據(jù)的潛力，配有靈活的選項以及功能強(qiáng)大的可視工具和建模工具。GNSS 基線處理和RTK 數(shù)據(jù)處理高效快速，全面支持GNSS 觀測。支持全站儀、水準(zhǔn)儀和空間測站儀的光學(xué)設(shè)備的數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、平差及其他處理快速準(zhǔn)確的表面建模、各種通道模型設(shè)計和計算，用于創(chuàng)建和導(dǎo)出圖形的要素代碼處理，支持Trimble Geomatics Office 工程文件的導(dǎo)入。Trimble Business Center 軟件能夠自動識別GNSS 文件格式和常規(guī)的全站儀和數(shù)字水準(zhǔn)儀等測量數(shù)據(jù)文件格式，支持導(dǎo)入帶非標(biāo)準(zhǔn)格式的ASCII 文件，支持自動的互聯(lián)網(wǎng)下載與項目相關(guān)的精密數(shù)據(jù)等。軟件可以導(dǎo)出各種用戶需要的測量數(shù)據(jù)和自定義數(shù)據(jù)?？煽焖偬幚盱o態(tài)基線，處理速度是Trimble Geomatics Of?fice 軟件的10 倍以上，能處理GPS 的L1/L2/L5 以及GLONASS 的數(shù)據(jù)，可以自定義起算點和起算邊，在原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入時驗證并改正其中的外業(yè)錯誤?？梢詫崿F(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)、電子水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差?？梢蕴幚硎录?shù)據(jù)，其中的事件標(biāo)志表示測量期間每個事件的精準(zhǔn)時間。Trimble Business Center 軟件支持通道功能，即一個線性結(jié)構(gòu)的3D 模型（例如道路、隧道或水路等線性構(gòu)筑物），該通道支持超高、斷鏈，同時可以在通道的不同表面設(shè)置不同的材料層。Trimble Business Center 軟件可以將表面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到項目中，或者用現(xiàn)有數(shù)據(jù)創(chuàng)建表面，以實現(xiàn)表面數(shù)據(jù)的3D可視化。Trimble Business Center 軟件可以處理自定義的要素編碼，包括測量員在采集測量數(shù)據(jù)時遇到的對象，如樹、籬笆、門、標(biāo)志、電桿和建筑物等。導(dǎo)入和處理這些編碼后，軟件自動生成地形圖，生成的地形圖可以導(dǎo)入后續(xù)的CAD 軟件中繼續(xù)處理，節(jié)約CAD 軟件中成圖的工作量。

4 基于影響掃描技術(shù)的室內(nèi)模擬試驗

在正式進(jìn)行橋梁檢測之前，首先在室內(nèi)利用三維激光掃描儀進(jìn)行裂縫檢測的模擬試驗，進(jìn)行可行性探索。

（1）測試環(huán)境

在走廊兩端測試，在一張A4紙上用0.38mm 簽字筆畫曲線，貼到一端的窗戶上。三維激光掃描儀架到另一端，測距顯示19m。

（2）模擬試驗數(shù)據(jù)處理與分析

距離19.006m 超精細(xì)掃描點間距2mm。高清照片可以分辨出所畫的曲線，但是點云達(dá)不到1mm 的密度。通過照片+點云可以量測曲線（裂縫）的長度和寬度。

5 影響掃描技術(shù)在京石高速公路橋梁檢測實施

由于京石高速公路（河北段）沿線橋梁多，結(jié)構(gòu)種類豐富，材質(zhì)有鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研統(tǒng)計，京石高速公路橋梁結(jié)構(gòu)形式主要包括箱梁橋、T 梁橋、板梁橋，橋梁材質(zhì)大部分為鋼混橋，局部為鋼結(jié)構(gòu)。

5.1 橋梁結(jié)構(gòu)特點分析

在所調(diào)研的所有橋梁結(jié)構(gòu)形式當(dāng)中，箱梁橋和T梁橋雖然屬于兩種不同種類橋梁，但是對于現(xiàn)場掃描作用而言，區(qū)別不大。這兩種橋梁具有如下共同特點：每片箱梁或T梁都具有腹板結(jié)構(gòu)，且高度比較明顯，導(dǎo)致同一跨度內(nèi)并排的幾片梁之間有豎向凈深。這種結(jié)構(gòu)特點給掃描和拍攝作業(yè)制造了很大的障礙。相對而言，板梁橋比較容易掃描和拍攝，遮擋情況幾乎不存在。

5.2 基于三維激光掃描的橋梁結(jié)構(gòu)檢測規(guī)劃

本次野外數(shù)據(jù)采集試驗里程段為京石高速公路滹沱河大橋等典型橋梁，全面覆蓋所有橋梁形式和材質(zhì)。野外數(shù)據(jù)采集時，以每幅橋跨為一個數(shù)據(jù)采集單位進(jìn)行。

箱梁和T梁橋在外業(yè)掃描作業(yè)時，為能夠觀測到腹板遮擋部位，采用橋端頭變換設(shè)站位置方式，每次將儀器架設(shè)于相鄰兩片梁的中間位置處，然后開啟儀器掃描功能，沿橋梁縱向方向掃描；掃描完一個縱向跨度后，變化設(shè)站位置，重復(fù)上述過程掃描，直至一個跨度、全橋梁橫向?qū)挾葤呙杞Y(jié)束為止。然后進(jìn)行下一跨度的掃描觀測。

板梁橋由于幾乎不存在遮擋情況，儀器架設(shè)靈活度較高，視橋梁跨度大小而定。當(dāng)跨度較小時，將儀器架設(shè)于橋端頭中間部位，開啟掃描功能進(jìn)行縱向、橫向連續(xù)掃描，一次性完成一跨度整個橋梁的觀測；當(dāng)跨度較大時，將儀器架設(shè)于橋梁縱向跨度中央位置，然后開啟掃描功能前后左右四個方向旋轉(zhuǎn)掃描，直至一個跨度橋梁掃描完成。

5.3 三維激光掃描的橋梁結(jié)構(gòu)檢測一體化作業(yè)流程

三維激光掃描內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)流程大致如下：

（1）踏勘場地，架設(shè)儀器。根據(jù)橋梁現(xiàn)場實際情況和上述規(guī)劃方案，選擇合適的儀器架設(shè)位置。

（2）框選目標(biāo)區(qū)域。開機(jī)，利用儀器高精度相機(jī)框選掃描拍攝區(qū)域。

（3）橋梁三維掃描。開啟掃描功能，按照規(guī)劃方案進(jìn)行全面掃描作業(yè)。

（4）橋梁細(xì)節(jié)部位近景拍攝。對興趣點進(jìn)行拍照、觀測、量距、查看裂縫、保存影像和點云數(shù)據(jù)等。

（5）數(shù)據(jù)導(dǎo)入。內(nèi)業(yè)處理，直接把掃描的.jxl 文件拖入到TBC軟件，軟件自動導(dǎo)入點云，給點云著色。

（6）編輯點云。把無用點云刪除，留下觀測數(shù)據(jù)。

（7）量測。使用量測功能，可以直接量測兩點間距離或者折線距離，通過折線功能，也可把興趣區(qū)域圈起來，得到表面積。

通過現(xiàn)場試驗和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)盡管影像掃描檢測技術(shù)非常簡便高效，但是該技術(shù)的裂縫病害檢測最終需要依靠掃描的詳細(xì)程度，影像圖片通常只作為病害識別和定位的輔助手段。但橋梁裂縫分布走向隨機(jī)性較強(qiáng)，可能與掃描方向平行或者斜交（或者正交）。美中不足之處是，該掃描目前主要為線列陣方式掃描，如果掃描方向與橋梁裂縫平行時，細(xì)微的裂縫有可能因為線列陣間距偏大而漏檢，造成檢測失敗。為了防止此現(xiàn)象發(fā)生，一般需要遷站進(jìn)行至少兩個方向的掃描，縱橫交錯，達(dá)到全方位掃描的效果。橋下地形復(fù)雜時，遷站相對比較困難費(fèi)時，制約了工作效率。

6 結(jié)語

基于點云的三維激光測量極大地優(yōu)化了傳統(tǒng)工程測量的作業(yè)模式。在傳統(tǒng)的橋梁檢測中，需要配備專業(yè)高速臺車，每天一萬元，作業(yè)成本高；高空作業(yè)，靠人眼識別裂縫，效率低、危險系數(shù)高且精度不高，無法保存野外觀測裂縫數(shù)據(jù)。而全站掃描儀基于點云的真三維測量模式將測量對象實時立體地呈現(xiàn)在使用者面前，點位的測量、圖形繪制以及施工放樣均可在三維點云的基礎(chǔ)上進(jìn)行，使用者可以根據(jù)需要對感興趣的橋梁進(jìn)行監(jiān)測，獲取點云、高清照片、真實長度值和面積，降低了出錯的概率，極大地提高了工作效率。