三維激光掃描儀與探地雷達在古橋探測中的應用

張 旭

（天津市地籍管理中心，天津 300042）

隨著時代發展，運輸業的發達導致大型貨車增加，如今的古橋面臨著比過去更大的環境壓力，有更多潛在的危險因素會破壞橋體結構的穩定性。因此，這些橋梁要定期監測，防止橋體結構的惡化和交通事故發生。很多古橋屬于歷史文化遺產，不能隨意的拆遷和重建，所以，對此類古橋進行評估檢測對促進古橋的保護和恢復有著十分重要的意義。三維激光掃描儀與探地雷達可以分別獲取橋體外部和內部信息，激光掃描儀可以對目標體進行掃描生成帶有坐標信息的激光點云，可以對橋體的外形及結構進行有效的建模及分析。探地雷達是一種可以穿透目標體進而探測生成橋體內部的雷達圖像的探測設備，可提供橋體內部非常有價值的信息。因此，在橋梁的檢測和評估方面，激光掃描儀與探地雷達結合應用可以對橋梁的檢測與保護發揮很大的作用。本文依據三維激光掃描儀和探地雷達各自的技術特點，對古橋探測的過程中兩種技術結合應用進行了研究和探索。

1 數據采集和處理

1.1 激光數據采集與處理

本試驗中采用的激光為FARO FOCUS3D激光掃描儀。這款激光掃描儀的測及范圍為0.6～120米，掃描頻率為976000點/秒，掃描精度為2毫米。為獲取整個橋體側立面的數據，采集3站數據，每站之間放置目標靶球作為激光點云后期拼接的參照。靶球放置的原則是每兩個掃描站點之間至少要共視3個或以上成三角形狀的球狀靶標。

1.2 探地雷達數據采集與處理

探地雷達的數據采集是采用瑞典的MALA系列探地雷達。分別采用250兆赫和500兆赫的屏蔽天線對橋體進行探測。采用不同頻率的天線是因為要探測合適的深度的同時還要保證一定的精度，所以，采用不同的天線來尋找最合適的天線頻率。將獲取的數據進行編輯、濾波等處理。使用的軟件為ReflexW v5.0，處理目的是減少原始數據中的雜波和噪音等不必要的信息，放大需要分析的信息，使得雷達圖像的解譯和分析更加容易。

2 數據結果處理與分析

2.1 探地雷達數據分析及幾何信息驗證

結合實地考察，看到橋洞下面長滿了藤類植物及苔蘚，這種規則的強反射平行波可能是含水量增大的表現，部分原因可能是裂縫被植物根部侵襲，最大可能是橋體內部存在積水。這兩種因素共同造成了探地雷達圖像中介質含水量增加的情況。由于天線頻率越高，探測的精度越高，但同時信號干擾也越強，雜波越明顯。所以，雖然500兆赫的波形在圖像中顯示的信號反射更明顯，但是橋洞頂端邊界的圖像受到的干擾也比較多，顯得不易精確辨認。由于250兆赫的橋拱拋物線波形邊界更為清晰銳利，所以選擇250兆赫的圖像中左起第一、第二兩個橋拱的圖像作為探地雷達實測幾何信息的驗證。

2.2 橋體平均介電常數的推算

本實驗中由于激光點云數據可提供橋體的精確測量信息，所以，采用已知目標深度推算介電常數的方法非常合適。如果目標厚度（或深度）為h，發射天線(T)和接收天線(R)的間距為x，當探地雷達在目標(O)正上方（O'）時，探地雷達會記錄電磁波往返的總時間t，對于大多數非導體介質，有：其中v為電磁波的波速，c為光速300毫米/納秒，從而有：

背對于接收和發射一體化的天線（由其是高頻天線），其收發距離相對于目標深度很小，所以上式可以簡化為：其中v為電磁波的波速，c為光速300毫米/納秒。從而有：得出橋體的相對介電常數為7.17。實測橋體介電常數接近花崗巖平均介電常數的上限，此數值范圍合理，方法簡潔，效果明顯。

3 結論

本實驗利用三維激光掃描儀與探地雷達對石拱橋的探測做了初步的研究和探索，驗證了探地雷達與激光掃描儀結合評估與檢測古橋的可行性和有效性。這些信息均可作為從事橋梁維護與保養的土木工程師作為參考。