地面三維激光掃描儀在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用(中海達(dá))

1、地面三維激光掃描儀在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用概述 大型橋梁自20世紀(jì)90年代初期以來在我國大量發(fā)展。這種橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是跨度大、塔柱高,主跨段具有柔性特性。在這類橋梁的施工測量中,人們已針對動態(tài)施工測量作了一些研究并取得了一些經(jīng)驗(yàn)。在竣工通車運(yùn)營期間,如何針對它們的柔性結(jié)構(gòu)與動態(tài)特性進(jìn)行監(jiān)測也是人們十分關(guān)心的另一問題。要真正達(dá)到橋梁安全監(jiān)測之目的,了解橋梁的變化情況,還必須及時(shí)測定它們幾何量的變化及大小。 傳統(tǒng)的檢測方法是通過連續(xù)和定期的單點(diǎn)觀測，對多期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，完成對工程安全性的確定，通過對離散點(diǎn)位移變化分析，做出安全評價(jià)，其結(jié)論可能存在較多的片面性和不確定性。三維激光掃描技術(shù)是一種

2、先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)。它成功的解決了傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)采集量少、數(shù)據(jù)不全面等問題，它可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，并可以直接將各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則的實(shí)體或?qū)嵕巴暾牟杉诫娔X中。從而基于這些點(diǎn)云進(jìn)行多種后處理工作，如測繪、計(jì)量、分析、模擬、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí)等。如何針對大型橋梁的梁體、塔柱、墩身、錨體等重要部分進(jìn)行監(jiān)測和檢測工作，在橋梁檢測方面具有重大的意義。維激光掃描技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測中應(yīng)用的基本思路采用激光掃描技術(shù)對隧道收斂變形測量的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)處理，因此本文側(cè)重對數(shù)據(jù)處理研究介紹。整個(gè)過程以如下表進(jìn)行：表一 技術(shù)流程數(shù)據(jù)采集1. 本次掃描使用Z+F IMAGER 500

3、6h，測程79米，如圖。圖1 Z+F IMAGER 5006h主要指標(biāo)：單點(diǎn)測量精度：10m 處的誤差范圍(均方根誤差)反射率 10%時(shí)（黑色）1.2毫米反射率 20%時(shí)（暗灰）0.7毫米反射率 100%時(shí)（白色）0.4毫米Z+F IMAGER 5006h激光掃描系統(tǒng)掃描模式主要指標(biāo)：角分辨率掃描時(shí)間預(yù)覽分辨率25 秒中分辨率1 分 40 秒高分辨率3 分 22 秒更高分辨率6 分 44 秒超高分辨率26 分 44 秒 標(biāo)靶球獲取精度：2mm2. 掃描采用的參數(shù)：高分辨率模式。試驗(yàn)掃描采用激光頭等角度勻速掃描，距離越大點(diǎn)密度越稀。3. 測站數(shù)及間距：激光掃描共設(shè)11個(gè)測站，每站間距大約在30米

4、至40米，平均每站施測時(shí)間小于5分鐘。4. 點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)糾正方式：每測站獲得激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，其點(diǎn)云坐標(biāo)歸算到統(tǒng)一的城市坐標(biāo)系統(tǒng)。隧道內(nèi)采用控制點(diǎn)測標(biāo)靶坐標(biāo)，激光掃描時(shí)同步掃描標(biāo)靶，然后以點(diǎn)云數(shù)據(jù)中標(biāo)靶坐標(biāo)歸算傳遞。5. 數(shù)據(jù)量：總數(shù)據(jù)量超過3GB。6. 設(shè)計(jì)掃描方案，根據(jù)激光掃描儀性能參數(shù)及現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計(jì)掃描站間距、掃描點(diǎn)密度，保證具有一定的掃描重疊度。7. 安放標(biāo)靶，每兩站之間至少有三個(gè)公共標(biāo)靶可見，用于數(shù)據(jù)后處理時(shí)兩站之間的拼接。8. 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)首先用全站儀測量監(jiān)測點(diǎn)和標(biāo)靶中心的坐標(biāo)值使用三個(gè)或者三個(gè)以上的特征點(diǎn)將三維掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一個(gè)坐標(biāo)系下有利于數(shù)據(jù)比

5、較。同步進(jìn)行隧道三維激光掃描。數(shù)據(jù)預(yù)處理標(biāo)靶三維坐標(biāo)獲取:點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Z+F后處理軟件LaserControl,選取公共標(biāo)靶進(jìn)行拼接。點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)配準(zhǔn)：根據(jù)標(biāo)靶三維坐標(biāo)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖所示，導(dǎo)入標(biāo)靶和掃描儀設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)歸算剔除噪音數(shù)據(jù)：根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（如圓隧道的直徑及軸線空間位置），剔除管壁外的噪音數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采樣：初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，點(diǎn)云疏密不均勻，并不利于后續(xù)的分析工作，點(diǎn)云的統(tǒng)一采樣將點(diǎn)云進(jìn)行抽吸，在保證點(diǎn)云所表達(dá)的特征的前提下，減小數(shù)據(jù)量，便于分析與操作，如圖所示。圖3 預(yù)處理后得到的點(diǎn)云橋梁變形分析 三維激光掃描儀

6、數(shù)據(jù)與處理完成后，橋梁的變形分析、變形提取工作是變形監(jiān)測的核心。三維激光掃描的數(shù)據(jù)是全面整體的數(shù)據(jù)，表面模型的精度相對于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量的精度有顯著的提高。在橋梁構(gòu)筑結(jié)構(gòu)簡單，特征線明顯的部位，通過曲面擬合的方法將橋梁結(jié)構(gòu)表面掃描的點(diǎn)云進(jìn)行建模分析，可以反映出橋梁下沉、傾斜、表面損壞等情況。基于擬合曲面的橋梁變形分析 平面、二次曲面擬合能夠很好的反映出構(gòu)筑物表面的情況。橋梁在運(yùn)營一段時(shí)間后，會發(fā)生不均勻沉降，通過分析橋梁順橋向和橫橋向重要部位的平面夾角的變化可以有效地反應(yīng)橋梁沉降。球形、圓柱形等結(jié)構(gòu)規(guī)則的二次曲面，不同周期的數(shù)據(jù)擬合中誤差同樣可以說明其表面的變化情況。以橋墩的變形為例，主要步驟如

7、下：（1）掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取待分析部位，依據(jù)特征線進(jìn)行點(diǎn)云分割。（2）通過曲面擬合算法，求出橋墩的數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。（3）統(tǒng)計(jì)兩次數(shù)據(jù)并分別計(jì)算差值。（4）比較不同時(shí)期掃描相同曲面的擬合殘差、平面法向量夾角以及圓柱直徑等參數(shù)的變化令，分析橋梁變形。橋段變形分析：本例掃描橋梁墩身為標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，選取橋梁某位置的六個(gè)橋墩進(jìn)行分析，下表為變形計(jì)算結(jié)果：位置序號第一期第二期兩期差值擬合殘差（mm)圓柱直徑（m)擬合殘差（mm)圓柱直徑（m)殘差差值（mm)直徑差值（mm）墩身左幅17.951.30818.371.306-0.422.126.791.31496.941.3165-0.15-1.638.551.31138.991.3105-0.440.8墩身右幅48.151.31328.471.3153-0.32-2.158.721.31458.921.3139-0.20.668.761.31569.181.3149-0.420.7 從兩期計(jì)算結(jié)果中可以看出，橋梁墩兩期的擬合殘差之差在1mm以內(nèi)，直徑之差在2mm以內(nèi)，在測量誤差允許范圍內(nèi)可以認(rèn)為橋梁墩沒有發(fā)生相對形態(tài)扭曲、破損現(xiàn)象。結(jié)語 地面三維激光掃描技術(shù)正被越來越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域