三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用研究

作者簡(jiǎn)介：

陳家鋒（1988—），工程師，主要從事橋梁工程質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)工作。

摘要：為了對(duì)設(shè)計(jì)資料缺失的橋梁進(jìn)行有效精確檢測(cè)，可將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測(cè)中。文章介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理與數(shù)據(jù)處理流程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小型簡(jiǎn)支梁撓度三維掃描試驗(yàn)，對(duì)比分析了掃描儀測(cè)試的變形值和百分表的實(shí)測(cè)值，研究了三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)中應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，三維激光掃描測(cè)試結(jié)果與百分表實(shí)測(cè)測(cè)試結(jié)果誤差≤5%，符合橋梁檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，三維激光掃描技術(shù)可作為一種橋梁檢測(cè)的準(zhǔn)確方法。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；工作原理；橋梁檢測(cè)；撓度試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U446.2 A 41 130 3

0 引言

我國(guó)高速公路建設(shè)里程已居于世界前列，橋梁的規(guī)模和數(shù)量位居世界第一［1］。然而，隨著服役年限的增長(zhǎng)，大量橋梁的使用壽命和服役功能受到了影響，橋梁的狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估顯得至關(guān)重要。

我國(guó)許多中小橋梁建于20世紀(jì)80、90年代和21世紀(jì)初，廣泛存在設(shè)計(jì)和施工資料缺失的情況，為橋梁檢測(cè)的模型建立和方案編制增加了難度。對(duì)于缺失資料的橋梁，通常進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工量測(cè)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合同類型設(shè)計(jì)進(jìn)行資料補(bǔ)充，不僅耗時(shí)耗力，也降低了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。三維激光掃描技術(shù)利用掃描設(shè)備對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行分析，從而完整得到物體的空間坐標(biāo)及表面信息的功能，可用于橋梁檢測(cè)工程中［2］。

相比于其他傳統(tǒng)的接觸性測(cè)量手段，三維激光掃描技術(shù)能有效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)物的空間數(shù)數(shù)據(jù)［3］，近年來(lái)已在土木工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用。林益新［4］利用三維激光掃描技術(shù)開(kāi)展了實(shí)地監(jiān)測(cè)和滑坡模型監(jiān)測(cè)，研究表明，在滑坡變形監(jiān)測(cè)中，三維激光掃描技術(shù)具有較好的應(yīng)用效果。王勛［5］詳細(xì)闡述三維激光掃描的基本原理與其應(yīng)用方法，并使用NovaMS50三維激光掃描儀對(duì)橋面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。結(jié)果表明，掃描儀所處理的數(shù)據(jù)結(jié)果與理論值比較接近。李勇兵等［6］利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)隧道內(nèi)全斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，采用色譜分析法分析隧道的整體變形，研究形心位置變化，定量分析內(nèi)部變形。研究表明，三維激光掃描在無(wú)須布點(diǎn)、設(shè)站靈活的條件下，能高效、全面地采集隧道內(nèi)部數(shù)據(jù)，具有效率極高、數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)點(diǎn)。李偉等［7］針對(duì)一段破損路面采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，研究了激光掃描技術(shù)在道路平整度檢測(cè)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，分析發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能有效用于道路平整度檢測(cè)。楊林［8］利用三維激光掃描技術(shù)研究出新的監(jiān)測(cè)方法，將其應(yīng)用于建筑工程實(shí)際施工變形監(jiān)測(cè)中，通過(guò)開(kāi)展模擬變形試驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際工程所監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)精度仍無(wú)法滿足建筑工程監(jiān)測(cè)規(guī)范要求，應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)檢測(cè)工具和方法進(jìn)行應(yīng)用。然而，三維激光掃描在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用較少，缺乏實(shí)際的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，分析三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)的應(yīng)用對(duì)橋梁檢測(cè)向信息化發(fā)展具有重要作用。

因此，本文介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理，闡述了三維激光掃描處理流程和三維激光掃描在橋梁檢測(cè)中可行性，通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)簡(jiǎn)支梁撓度三維掃描試驗(yàn)，對(duì)比了三維激光掃描值和百分表實(shí)測(cè)結(jié)果，研究三維掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)中應(yīng)用的可行性，為三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 三維激光掃描技術(shù)基本介紹

三維激光掃描通過(guò)利用激光測(cè)距的基本原理，對(duì)被測(cè)物體表面進(jìn)行高密度采集，并獲得物體表面的三維坐標(biāo)信息和反射信息，這些信息稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)將這些信息以一定格式進(jìn)行存儲(chǔ)，并利用軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理，能準(zhǔn)確復(fù)建出物體的三維模型等各種圖件。

1.1 三維激光掃描技術(shù)工作原理

三維激光掃描儀通過(guò)測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量?jī)x器到物體的距離，并利用儀器的測(cè)角系統(tǒng)獲得掃描儀至物體的水平角和垂直角，通過(guò)分析距離、水平角及垂直角等數(shù)據(jù)，計(jì)算出物體的三維坐標(biāo)。同時(shí)，掃描儀利用自身的垂直和水平馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行全方位掃描，連續(xù)地對(duì)一定取樣密度的空間進(jìn)行掃描測(cè)量，以獲得被測(cè)物體密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程

利用掃描儀獲取信息后，通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)云存儲(chǔ)信息，實(shí)現(xiàn)三維建模的建立。該過(guò)程需要經(jīng)過(guò)一系列的處理操作，主要有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和三維建模［9］。通過(guò)接觸式測(cè)量或非接觸式測(cè)量的方式獲取數(shù)據(jù)，壓縮、剔除多余信息，將多個(gè)測(cè)站中獲取的數(shù)據(jù)整合在一個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行坐標(biāo)糾正，在三維建模前進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾，將點(diǎn)云區(qū)域分為多個(gè)子區(qū)域，提取其表面特征和三維坐標(biāo)，并通過(guò)建立三角網(wǎng)格達(dá)到三維建模的目的，流程如圖1所示。

1.3 三維激光掃描在橋梁檢測(cè)中的可行性分析

（1）三維激光掃描儀會(huì)因其生產(chǎn)廠家、型號(hào)等不同而具有不同的掃描速度、精度和測(cè)定范圍，對(duì)目標(biāo)物體的測(cè)定精度可從厘米到毫米，目前精度最小的掃描儀可達(dá)到0.2 mm。

（2）三維激光掃描儀在對(duì)物體表面掃描建模過(guò)程中，目標(biāo)物體表面點(diǎn)密度越高越有利于提高測(cè)定的精度。在橋梁撓度變形檢測(cè)中，橋梁光滑平整的表面利于提高表面的點(diǎn)密度，因此三維激光掃描儀對(duì)橋梁檢測(cè)的精度能得到保障。

（3）掃描儀與目標(biāo)物體的距離過(guò)大會(huì)導(dǎo)致精度嚴(yán)重下降，距離過(guò)小會(huì)使測(cè)試基站增多。雖然掃描儀的掃描距離能達(dá)到300 m，但掃描距離＜100 m的精度最為精確。在橋梁工程中，當(dāng)掃描儀與橋梁實(shí)體之間的距離＜100 m，有利于保障橋梁結(jié)構(gòu)的掃描建模。

2 小型簡(jiǎn)支梁撓度三維掃描試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了研究三維激光掃描技術(shù)是否滿足橋梁撓度檢測(cè)精度要求，分析三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的合理性可行性，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室小型簡(jiǎn)支梁撓度的三維激光掃描試驗(yàn)，利用百分表實(shí)測(cè)加載前后簡(jiǎn)支梁撓度變化值，對(duì)比評(píng)價(jià)百分表實(shí)測(cè)值與三維激光掃描值。

2.2 試驗(yàn)儀器及步驟

2.2.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用簡(jiǎn)支試驗(yàn)梁，在試驗(yàn)梁上加載后，通過(guò)百分表和三維激光掃描儀進(jìn)行橋梁相應(yīng)位置的變形測(cè)定。采用梁長(zhǎng)300 cm、橫截面寬15 cm、梁高12 cm的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，使用量程為50 mm的帶有磁性表盤百分表，通過(guò)水泥試塊對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行加載。所采用的三維激光掃描儀型號(hào)為Z+F 5010C，激光波長(zhǎng)為1.5 μm，測(cè)量距離為187 m，具有水平360°、垂直320°的視野范圍。

2.2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）利用三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)物體結(jié)構(gòu)掃描需要設(shè)定3個(gè)或3個(gè)以上的固定基站，通過(guò)對(duì)固定基站掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，因此在試驗(yàn)開(kāi)始前需在簡(jiǎn)支梁附近設(shè)定3個(gè)固定參照點(diǎn)。

（2）為了保證最大撓度出現(xiàn)的位置為跨中，對(duì)簡(jiǎn)支梁中心間長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，將該長(zhǎng)度作為計(jì)算跨徑，利用標(biāo)記筆在1/4跨徑、跨中和3/4跨徑處進(jìn)行標(biāo)記作為撓度測(cè)量點(diǎn)。

2.2.3 試驗(yàn)步驟

（1）在簡(jiǎn)支梁附近位置設(shè)定3個(gè)固定參照點(diǎn)。

（2）在簡(jiǎn)支梁1/4跨徑、跨中和3/4跨徑處標(biāo)記點(diǎn)的梁底部布置安放百分表和位移測(cè)力計(jì)，記錄初始讀數(shù)。

（3）選擇合適基站位置，安裝三維掃描儀，對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行空載掃描。

（4）利用水泥試塊對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行加載，通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)加載后的簡(jiǎn)支梁重復(fù)進(jìn)行掃描，讀取百分表在該荷載下的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束。

3 數(shù)據(jù)處理流程與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

三維激光掃描儀通過(guò)采集加載前后簡(jiǎn)支梁的圖像數(shù)據(jù)，利用圖像處理軟件和數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)其進(jìn)行分析處理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程如下：

（1）將采集完成的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用laser control軟件建立項(xiàng)目和掃描文件，通過(guò)點(diǎn)擊參照點(diǎn)拼接多站數(shù)據(jù)，對(duì)拼接報(bào)告和圖片進(jìn)行噪點(diǎn)去除。

（2）選擇拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將簡(jiǎn)支梁分離出，把簡(jiǎn)支梁中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic軟件，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)裝成三角模型。

（3）通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)支梁的位移界限值進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定為0.1～2 mm變形范圍，得到各范圍位移的對(duì)比結(jié)果。對(duì)位移結(jié)果進(jìn)行分析，形成分析報(bào)告。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 三維激光掃描結(jié)果

三維激光掃描儀對(duì)加載前后簡(jiǎn)支梁的圖像進(jìn)行采集，利用laser control軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拾取、處理，將部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)Geomagic軟件進(jìn)行處理，得到簡(jiǎn)支梁位移變形如下頁(yè)表1和圖2所示。

由表1和圖2可知，加載后簡(jiǎn)支梁＜0.4 mm位移范圍的空間點(diǎn)個(gè)數(shù)占比60.58%，其中0.1～0.4 mm位移范圍的空間點(diǎn)個(gè)數(shù)占比31.02%；＞1.4 mm位移范圍的空間點(diǎn)個(gè)數(shù)占比最少，僅占比9.2%。在加載后簡(jiǎn)支梁的撓度變形的大小集中在0.1～0.4 mm，＞1.4 mm的撓度變形較少。可知利用三維激光掃描技術(shù)能有效檢測(cè)簡(jiǎn)支梁撓度變形，分析撓度大小范圍和占比。

3.2.2 掃描結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步研究三維激光掃描在橋梁撓度檢測(cè)的可行性，利用百分表對(duì)加載后簡(jiǎn)支梁的位移值進(jìn)行實(shí)測(cè)，將其與三維激光掃描的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2與圖3所示。

以1/4跨徑、跨中和3/4跨徑等目標(biāo)點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)比三維激光掃描儀測(cè)定數(shù)據(jù)與百分表檢測(cè)數(shù)據(jù)，由圖3可知，在1/4、1/2和3/4跨徑位置處的百分表實(shí)測(cè)位置值分別為1.96 mm、2.45 mm和1.37 mm，而三維掃描結(jié)果則分別為1.9 mm、2.4 mm和1.3 mm，兩者之間的誤差分別為3%、2%和5%，誤差均≤5%，滿足了橋梁檢測(cè)中的精度標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，在介紹了三維激光掃描儀的工作原理、數(shù)據(jù)處理流程、在橋梁檢測(cè)中的可行性基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)支梁撓度三維掃描試驗(yàn)評(píng)價(jià)了三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的適用性，得到以下結(jié)論：

（1）三維激光掃描技術(shù)是利用激光測(cè)距的基本原理，對(duì)物體表面進(jìn)行高密度采集，并利用軟件對(duì)采集到的信息進(jìn)行讀取和處理，能準(zhǔn)確復(fù)建出物體的三維模型等各種圖件的技術(shù)，具有效率極高、數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于橋梁檢測(cè)具有可行性。

（2）三維激光掃描技術(shù)能有效檢測(cè)簡(jiǎn)支梁撓度變形，分析撓度大小范圍和占比，與百分表實(shí)測(cè)值對(duì)比，誤差均≤5%，測(cè)試精度可達(dá)到橋梁檢測(cè)要求。

（3）三維激光掃描技術(shù)在使用中可解決因橋梁尺寸資料等缺失帶來(lái)的檢測(cè)不準(zhǔn)確問(wèn)題，是一種良好的無(wú)接觸式測(cè)量方法，可應(yīng)用于橋梁檢測(cè)中，具有良好的應(yīng)用效果。

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收稿日期：2022-10-22