基于三維掃描點云數(shù)據(jù)的模型橋形變獲取

馮 麟， 周志祥， 唐 亮， 張 鑫， 于 輝

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074；2.山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗，重慶400074；3.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東深圳518060）

0 引 言

作為結(jié)構(gòu)健康檢測的重要參數(shù)，荷載作用下橋梁的形變與其結(jié)構(gòu)的安全運營狀態(tài)具有重要的聯(lián)系，因此對橋梁結(jié)構(gòu)進行有效的形變檢測可為其幾何形態(tài)變化及動、靜態(tài)響應(yīng)的安全預(yù)警提供關(guān)鍵的量化指標［1-2］。目前的橋梁檢測手段大多具有成本高、主觀性強、機動性差及影響交通狀況等缺點［3］，特別是針對如斜拉橋與懸索橋等跨江大橋而言，使用傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器進行測量時難度較大且精度難以控制［4］，進而影響檢查效果與健康狀況評定，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能不斷退化而“帶病”運營，從而為結(jié)構(gòu)的安全運營埋下隱患［5］。

隨著三維激光掃描儀精度與三維重建技術(shù)的提高，通過利用其獲取的結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)進行三維重建，最終得到結(jié)構(gòu)相關(guān)形態(tài)數(shù)據(jù)的研究方法已得到廣泛應(yīng)用［6］。孫杰等［7］以具體樓房為研究對象，在獲取多期點云數(shù)據(jù)后進行曲面重構(gòu)并建立NURBS模型，最終得到目標對象的形變值與傾斜值；黃帆等［8］利用針對隧道斷面的掃描點云數(shù)據(jù)進行隧道整體形變的測量，結(jié)果顯示其檢測值與實測值擬合程度大于90%；司夢元等［9］利用道路路面的三維點云數(shù)據(jù)建立了對應(yīng)的數(shù)字化模型，進而獲取了研究對象的整體形變值，最終建立基于三維激光掃描技術(shù)的路面測量方法；姚習紅等［10］結(jié)合三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)對一高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)進行了形變監(jiān)測。相對于傳統(tǒng)的接觸式橋梁形變檢測方法，基于三維激光掃描的結(jié)構(gòu)形變檢測方法［11-12］可對目標橋梁進行局部或整體的實時非接觸式點云數(shù)據(jù)獲取，同時無需預(yù)埋相關(guān)檢測設(shè)備；在計算與存儲方面［13］，無拓撲結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù)模型能顯著降低算法復(fù)雜度以提高算法運算速率；將該方法運用于橋面結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù)獲?。?4-15］，可實現(xiàn)荷載／環(huán)境作用下橋面下?lián)吓c凸起的精確化三維空間信息數(shù)據(jù)檢測，從而實現(xiàn)橋面數(shù)據(jù)的自動記錄、處理及對比。

為研究依據(jù)三維點云數(shù)據(jù)獲取荷載作用下橋面撓度的測量方法，設(shè)計了一座有機玻璃簡支T型寬橋，進行基于三維激光掃描技術(shù)的橋面形變測量試驗，同時進行不同荷載及結(jié)構(gòu)損傷的影響因素研究，最后將測量值與實際值進行對比分析以驗證該方法的測量可行性。

1 模型橋?qū)嶒?/h2>

1.1 設(shè)計與構(gòu)造

本試驗?zāi)Ｐ蜆虿馁|(zhì)主要選取力學(xué)形態(tài)表現(xiàn)為硬而脆、斷面平滑的剛性硬質(zhì)材料——有機玻璃，該材質(zhì)的拉壓強度大致為50～77 MPa，彎曲強度約為90～130 MPa，密度為1.18 g／cm3；同時其斷裂伸長率約為2%～3%，因此較小的荷載作用便可能會使原有裂縫擴展。由于有機玻璃的透光率較高且考慮光的折射影響，為此須在模型橋表面鋪上一層反射率高的材料，最終選擇覆蓋白色貼紙在試驗橋表面以反射三維激光掃描系統(tǒng)發(fā)出的紅色激光，具體如圖1所示。

圖1 覆蓋白色貼紙的有機玻璃模型橋

為使荷載作用下模型橋的形變量明顯且易于測量，將有機玻璃試驗橋的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計為受力明確的簡支T型寬橋，其寬長比為0.5，縱向橋長160 cm，同時分別在跨中、縱向1／4與3／4位置以及兩端支座處設(shè)置橫隔梁；橫向橋?qū)?0 cm，T型主梁布置5片；其具體尺寸及構(gòu)造見圖2、3。

圖2 模型橋平面圖（mm）

圖3 模型橋橫斷面圖（mm）

1.2 約束與加載

由于模型試驗橋的構(gòu)造為簡支T型梁橋，因此5片T梁肋板底兩端邊界條件分別為固定端支座與鉸支座，從而保證鉸支座位置處的橫向位移與轉(zhuǎn)動位移，在保證固定端支座處轉(zhuǎn)動位移的同時約束其縱橫向位移，其具體支座形式如圖4、5所示。

圖4 鉸支端支座

試驗加載方案主要為偏心加載以使橋面形變明顯，加載中心位置橫向離模型橋邊緣10 cm，同時為減少加載結(jié)構(gòu)物對橋面三維點云數(shù)據(jù)的遮擋，最終選擇利用杠桿原理進行間接偏心加載，其加載示意見圖6。杠桿設(shè)計的具體形式為一端通過軸承串接支撐桿固定于地面，橋面加載位置處疊放秤砣作為支點，通過杠桿另一端秤砣個數(shù)改變荷載等級，其實際加載形式見圖7；同時一級荷載大小為14 kg，二級荷載大小為42 kg。

圖6 模型橋加載示意圖（mm）

圖7 模型橋試驗加載圖

圖5 固定端支座

為測試三維激光掃描對于橋面形變測量的敏感性，試驗選擇在完成無損試驗橋加載形變量測后設(shè)置預(yù)損傷并重復(fù)進行試驗，以分析結(jié)構(gòu)損傷對于形變測量影響；其預(yù)損傷位置在邊緣T梁肋板，主要形式為人為裂縫，裂縫寬度為0.6 mm，長度為80 mm，其裂縫具體位置示意見圖8。

圖8 模型橋人為裂縫圖

1.3 數(shù)據(jù)采集

試驗選用徠卡Nova Ms50獲取不同荷載作用下模型橋的橋面點云數(shù)據(jù)，進行結(jié)構(gòu)無損及有損狀態(tài)下的形變測量；該掃描設(shè)備最高精度為0.8 mm，在抗干擾性以及數(shù)據(jù)儲存方面具有較大優(yōu)勢。

試驗時激光發(fā)射源須高于模型橋面以保證掃描視場包含整個橋面并獲得理想掃描點云數(shù)據(jù)，掃描前設(shè)置掃描點云密度為2 mm，掃描框選范圍主要為試驗橋橋面。實驗過程中依次獲取無損狀態(tài)下空載、無損狀態(tài)下多級荷載、有損狀態(tài)下空載以及有損狀態(tài)下多級荷載的點云數(shù)據(jù)，其掃描過程耗時均在10 min內(nèi)，圖9即為基于Nova Ms50三維激光掃描系統(tǒng)所獲取的有機玻璃模型橋橋面點云數(shù)據(jù)。

圖9 有機玻璃模型橋橋面點云數(shù)據(jù)

2 點云數(shù)據(jù)去噪處理及程序設(shè)計

由橋面點云數(shù)據(jù)采集結(jié)果可知，實際測量過程中激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)會受到來自人為、設(shè)備以及環(huán)境因素的影響，進而形成不同程度的噪聲及多余數(shù)據(jù)點，影響后續(xù)數(shù)據(jù)的分析及模型重構(gòu)，因此須對點云數(shù)據(jù)進行濾波處理以去除噪聲。

2.1 K近鄰自適應(yīng)雙邊濾波算法

由三維激光掃描儀采集所得點云數(shù)據(jù)為

當采用K近鄰自適應(yīng)雙邊濾波算法對采集空間內(nèi)的噪聲及冗余數(shù)據(jù)點去噪處理后得新模型點云數(shù)據(jù)為

式中：f ( x，y，z)為初始采集點云數(shù)據(jù)；f′( x，y，z)為去噪處理后點云數(shù)據(jù)；n為平面法向量。

自適應(yīng)雙邊濾波因子α計算如下：

σ1為fi與鄰域間距離對fi的作用因子，即選取鄰域點數(shù)；σ2為fi與鄰域間距離向量在法向量n投影對fi的作用因子，即點云模型特征保持效果。

在實際濾波去噪中，σ1一般取值鄰域半徑，σ2一般取值領(lǐng)域點標準偏差。即：

2.2 程序設(shè)計

由三維點云數(shù)據(jù)去噪算法可知，利用三維激光掃描儀獲取結(jié)構(gòu)對象的橋面三維點云數(shù)據(jù)后，首先應(yīng)搜索目標點云K近鄰域內(nèi)所有點并求出空間域高斯函數(shù)變量s與頻率域高斯函數(shù)變量v，進而結(jié)合鄰域半徑σ1與領(lǐng)域點標準偏差σ2計算出自適應(yīng)雙邊濾波因子α，最后進行法向移動并得到去噪后新模型點云數(shù)據(jù)（見圖10）。

圖10 點云數(shù)據(jù)濾波程序流程圖

3 結(jié)果分析

利用基于K近鄰自適應(yīng)雙邊濾波算法所編寫的程序，對有機玻璃模型橋原始點云數(shù)據(jù)模型（點云數(shù)為155 970）進行去噪處理后得到新點云數(shù)據(jù)模型（點云數(shù)為92 392），如圖11所示。

圖11 濾波去噪后點云數(shù)據(jù)圖

獲取經(jīng)過降噪處理的點云數(shù)據(jù)后對點云模型進行平滑效果處理，在避免過度平滑后結(jié)合Geomagic Qualify中的3D比較功能進行損傷／荷載工況橋面與無載無損工況橋面疊差，從而獲取不同荷載與損傷工況下的橋面豎向形變數(shù)據(jù)；圖12與13即為無損及有損工況下1級與2級荷載作用下的撓度云圖。

圖12 無損工況下不同荷載橋面撓度云圖（m）

分析無損與有損工況下橋面撓度云圖可知，橋面最大撓度位置處即為荷載加載位置，且加載側(cè)的下?lián)隙扰c對應(yīng)側(cè)的上撓度與實際形變分布相同；隨著荷載等級的增加，加載位置下?lián)隙入S之增加，對應(yīng)側(cè)上撓度加大；同時，相同荷載下作用下有損傷工況橋面形變量大于無損傷工況，表明依據(jù)點云數(shù)據(jù)獲得的橋面撓度能定性體現(xiàn)不同荷載作用下不同損傷工況對應(yīng)的撓度變化。

分析圖12與表1可知，無損工況下依據(jù)三維掃描點云數(shù)據(jù)所獲取的處于一級和二級荷載作用下模型橋橋面最大形變值分別為0.7與3.0 mm，同時對應(yīng)百分表實測值分別為0.8與3.2 mm，最大誤差率為12.5%；分析圖13與表1可知，有損工況下最大形變值分別為2.6與7.4 mm左右，對應(yīng)百分表實測值分別為3.0與8.3 mm，最大誤差率為13.3%。綜上可知，基于點云數(shù)據(jù)所測量的撓度值與傳統(tǒng)百分表實測值較符合，表明可利用三維激光技術(shù)獲取橋面點云數(shù)據(jù)，在對原始進行濾波降噪后結(jié)合Geomagic Qualify中的3D比較功能獲取荷載作用下目標橋面的形變值。

圖13 有損工況下不同荷載橋面撓度云圖（m）

表1 三維點云撓度與實測撓度對比

4 結(jié) 論

本文針對一座有機玻璃模型橋依次開展了無損及有損工況下不同等級荷載的試驗，通過利用橋面點云數(shù)據(jù)獲取了試驗橋不同荷載作用下的撓度云圖，結(jié)論如下：

（1）利用三維激光掃描技術(shù)獲取橋面原始點云數(shù)據(jù)后，結(jié)合相關(guān)濾波去噪算法與Geomagic Qualify中的3D疊差功能可實現(xiàn)不同工況下目標橋面的形變測量，相較于傳統(tǒng)的點式位移計測量方法，該方法原則上可實現(xiàn)“面”上所有點的位移測量；

（2）通過分析加載側(cè)與對應(yīng)側(cè)撓度在不同工況作用下的變化規(guī)律，表明通過三維激光掃描技術(shù)獲取的橋梁形變數(shù)據(jù)可表征多種荷載工況下結(jié)構(gòu)的撓度變化；

（3）對比基于三維激光掃描點云數(shù)據(jù)測量撓度云圖與傳統(tǒng)百分表實測最大值發(fā)現(xiàn)，本文方法測量最大誤差率為13.3%，表明可基于三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的形變數(shù)據(jù)采集，從而為橋梁的經(jīng)常性形變檢測提供一種新途徑。