基于激光點云的橋梁變形分析方法研究

陳守輝，徐小華

(湖北省交通運輸廳漢十高速公路管理處)

在橋梁構筑物結構簡單特征線明顯的部位，通過曲面擬合的方法將橋梁構筑物表面掃描的點云進行建模分析，可以一定程度上反映出橋梁下沉、傾斜、表面損壞等情況。針對橋梁有些部位結構復雜，又考慮到是重要部位，監測必須要進行分析，本文采用基于ICP配準方法的變形分析研究，ICP配準算法已經是很成熟的點云配準算法，配準精度高、收斂性強，對于多期點云數據，用ICP配準方法提取變形是這個算法創新的應用。

1 基于曲面擬合的橋梁變形

構筑物形態變形是指構筑物使用一段時間后其表面形態相對于初始運營時發生變化的描述。通過對橋梁的結構狀態分析，橋梁表面多數為平面或者簡單曲面，不論是橋面、梁體還是橋墩一般都是規則的幾何體形狀，這就為形態分析創造了良好的條件。通過特征提取，將橋梁幾何結構簡單部位分割后，利用最小二乘平面擬合求出平面方程、計算平面法向量、平面擬合殘差，通過計算不同時期兩個面夾角的變化來分析橋梁的不均勻沉降，利用不同時期曲面擬合殘差的變化來分析橋梁表面相對形態變形。

2 實驗結果分析

2.1 橋梁梁體變形實驗分析

對橋梁梁體變形分析采用平面擬合算法，對橋梁兩期掃描的數據進行對比分析。橋梁順橋軸方向每段T梁長度30 m，橫橋軸方向蓋梁長度14.7 m。梁體兩期觀測計算結果如表1所示。

表1 橋梁梁體變形分析結果

續表1

從兩期觀測數據計算的結果中，具體分析如下:

兩期觀測數據中，橫橋向蓋梁底部與側面夾角變化為:左幅變大 0.014 9°，右幅變大 0.024 35°;順橋向 T 梁底部與側面夾角變化為:左幅變大 0.025 28°，右幅變大 0.040 49°。實驗結果表明在橫橋向蓋梁在墩身的支撐下，變形量微小，順橋向T梁，由于長度較長，支撐物距離較遠，相比較蓋梁來說變形量稍大。

從梁體兩期表面擬合中誤差結果中可以看出，蓋梁表面擬合中誤差變化均在0.5 mm以內，T梁表面擬合殘差變化在0.5～1 mm之間，進一步表明，T梁變化稍大。

通過分析可得出，在橋梁運營期間順橋向T梁形態容易變形，主要是橋梁不均勻沉降所致，在一定程度上可以反映橋面的沉降。

2.2 橋梁墩身變形實驗分析

實驗掃描的橋梁墩身是標準的圓柱體，為截取橋梁橫橋向連續的6個墩身掃描的點云示意圖。

實驗選取了橋梁某位置左幅和右幅的6個墩身進行分析，通過曲面擬合計算出曲面擬合中誤差，并計算出墩身圓柱的擬合直徑。結果如表2所示。

從兩期計算結果中可以看出，橋梁墩身兩期的擬合殘差之差在1 mm以內，兩期墩身擬合圓柱體直徑之差在2 mm以內，在測量誤差允許范圍內可以認為橋梁墩身在兩期內沒有發生相對形態扭曲、破損現象。

表2 橋梁墩身變形計算結果

3 結論

(1)推導了平面擬合以及二次曲面擬合算法，編程實現了平面擬合算法以及計算平面法向量，給出了基于曲面擬合算法的橋梁變形分析步驟，實驗表明:該方法可以反映橋梁運營后在橫橋向和順橋向的不均勻沉降、梁體以及墩身表面形態變化。

(2)研究了ICP算法分析變形的步驟，給出了提取變形量精度指標。通過Visual C++6.0結合OpenGL編程實現了ICP點云配準算法以及變形量提取，實驗表明:應用ICP配準算法對橋梁兩期數據進行配準，依據最近點的距離值確定變形閾值可以提取表面變形量。

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