激光掃描技術在橋墩垂直度監測中的應用

熊黃磊，王凱樂，何超

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

高橋墩垂直度變化的監測是橋梁健康監測的重要組成部分[1]。對于橋墩垂直度變化的監測，傳統方法是采用全站儀光電設備進行單點極坐標測量完成數據采集，雖然高精度設備也可以保障監測結果滿足規范要求，但都是“以點代面”的作業方式[2]。這種以測量個別特征點來表達觀測對象整體變形情況的方法，存在一定的風險。一方面，在指定變形監測方案時選擇的監測點未必具有代表性；另一方面，如果在監測周期內選取的監測點被破壞，重新選取監測點意味著前期的變形監測成果延續性中斷，不利于做變形分析。除上述風險外，由于大橋下通常作業空間狹小、橋墩較高，觀測時仰角較大，觀測員采用全站儀對監測點進行直接測量時非常困難，難以獲得準確數據。

三維激光掃描技術的出現，因其非接觸式測量、自動采集、相對精度高等優點，在精確地獲取橋墩表面高密度點云的基礎上進行變形分析，較好地彌補了單點測繪的不足。目前激光掃描儀硬件發展非常快，掃描速度和測角測距精度也不斷提高，掃描單點的精度已達到全站儀極坐標測量精度，相對精度甚至更高[3，4]。近年來，三維激光掃描技術在橋梁變形監測方面也取得了豐碩的成果，應用日漸廣泛[5]。本文提出了基于高精度激光點云進行橋墩垂直度變化情況分析的方法，經實例驗證，取得了較好的效果。

2 橋墩垂直度變化監測的傳統方法

傳統測量方式通常在橋墩某個觀測面的頂部和底部各選擇至少一個或多個監測點，在該觀測面附近的設站，采用邊角測量的方式分別觀測橋墩頂部和底部的監測點，以橋墩底部的點為基準，對比橋墩頂部中心相對位移的變化，進而解算垂直度的變化情況。常用作業方式有固定點測量法和任意設站測量法。

2.1 固定點測量法

在首次觀測時，采用升降機等設備在橋墩目標觀測面的頂部正中位置和底部正中位置埋設固定點位標志，一般情況下是沿橋梁縱向和橫向的橋墩側面各埋設一對點，盡量拉長上下標識點的距離。另外，在橋梁縱向和橫向上，距離橋墩一定距離(盡量大于2倍橋墩高度，以避免觀測仰角過大)各設置固定觀測點，同時根據通視情況布設一些永久性公共后視點。

觀測時，采用具有漫反射功能的全站儀在測站點上設站，后視公共后視點，先后觀測橋墩頂部和底部的標志點，通過測量的斜距、水平角、垂直角，計算上下兩點的平面位置偏距，該偏距與上下點位間的間距之比，即為觀測橋墩該方向垂直度測量值[6]。將不同期次的垂直度測量及解算值進行對比，可獲取該橋墩垂直度變化情況，實現對橋墩垂直度變化的監測。

2.2 任意設站測量法

有些橋梁橋下地勢陡峭、環境較差，或者橋墩過高，施工設備不易到達，在橋墩上設置固定監測點點位標志較為困難，可采用任意設站的方式進行測量。作業時，在方便觀測的位置任意設站，后視公共點，觀測橋墩頂部、底部的外切線角度，一般也是在橋梁縱向、橫向都觀測一個面。外業觀測完畢后，計算縱橫向觀測墩頂、底中心的夾角，結合距離計算觀測墩頂、底中心縱橫向的偏移量，最后計算觀測墩的傾斜位移量，即完成該橋墩的垂直度觀測。該位移量與上下點位之間的間距之比，即為觀測橋墩該方向垂直度測量值。將不同期次的垂直度測量及解算值進行對比，可獲取該橋墩垂直度變化情況，實現對橋墩垂直度變化的監測。任意設站測量法作業靈活性更高，但是如果對解算成果有疑問，現場復核時工作量較大。

2.3 傳統測量方法的不足

在實際作業過程中，上述兩種測量方式具有明顯不足，主要包括以下幾個方面：

(1)作業效率低。距離測量和角度測量均需要進行多測回測量。

(2)相對精度低。高橋墩一般間距較小，在近距離進行垂直度測量時，仰角較大，角度測量困難，難以確保角度測量精度，因而計算結果的相對精度較低。

(3)點位標志難以保存。橋墩上的點位標志，尤其是橋墩下部的點位標志容易被堆積物或臨時建(構)筑物遮擋，地面測站點標記也很難長久保存。

3 應用案例

三維激光掃描技術的出現，為橋墩垂直度提供了高精度快速測量方案[7]。目前的主流架站式三維激光掃描儀具有非常高的相對精度，以Foucuss350為例，測程范圍為0.6m～350 m，測距標稱精度為 ±1 mm，掃描視場角為360°(水平)×300°(垂直)，角度相對測量精度1"，角度測量自動補償范圍為±2°。根據《工程測量規范》(GB50026-2007)中對于變形觀測的要求，特大型橋觀測等級為二等，大型橋梁觀測等級為三等，二、三等觀測在基準網測量階段測距方面分別要求采用 2 mm級儀器和 5 mm級儀器，測角方面中誤差限制分別是1.8″和2.5″。新型高精度掃描儀的標稱精度均滿足二等觀測要求，更加滿足立交橋橋墩墩垂直度測量(按大型橋梁考慮，觀測等級應選擇三等)。

重慶作為典型的山地城市，因為其地形特點，在橋梁建設工程中經常出現超過 15 m的高橋墩。本文以蘇家壩立交高橋墩垂直度變化監測為例進行對比實驗(圖1)，介紹利用三維激光掃描技術進行橋墩垂直度變化監測的主要步驟和應用效果。

圖1 立交橋下橋墩概況(局部)

3.1 作業流程

(1)選取合理的測站點

測站點的布設是保證點云數據采集質量的關鍵，測站點選擇合理，能夠減少測站數量、提高點云拼接速度和精度，并盡可能多地獲取橋墩特征數據。

(2)橋墩點云采集

對目標橋墩進行全方位點云數據采集，可以采用兩種掃描方法[8～11]。

方法一：儀器架和標靶均架設在具有精確坐標的控制點上，所有控制點坐標成果在同一個坐標系之下。數據處理時，各站點云數據不需要選取特征點進行配準，在導入點云數據時，在點云處理軟件中輸入控制點坐標即可。采用這種方法作業，點云數據的精度取決于控制點精度，以及掃描作業時的人為如此和儀器誤差綜合影響。

方法二：標靶設在控制點上，三維激光掃描儀根據現場作業情況任意架站，但相鄰兩站至少掃描到1個共同標靶(盡可能多)，作業完成后在導入點云數據時，在點云處理軟件選取靶心輸入控制點坐標上，用后方交會法計算測站點坐標，同時將點云坐標也歸算到統一的坐標系。

無論采用哪種方法，每期對每個監測對象均需要進行4次獨立掃描，獲取4個點云文件。

(3)點云數據的預處理

點云數據預處理較為關鍵，直接影響變形分析的結論。數據預處理主要目的有兩個，一是對點云數據進行噪聲去除、冗余點抽稀等處理，減少數據量，留取有用信息；二是對所掃描的點云數據進行拼接、渲染，并評估點云拼接精度。本文案例采用方法二進行數據采集，由于測量距離近、公共后視點和特征點比較多、點云重合度高，最終拼接效果較好，采用隨設備配套的點云數處理軟統計自動拼接精度為 0.9 mm，人工選取特征點后的拼接精度為 0.4 mm。

(4)變形監測數據變形分析

基于點云提取橋梁，以及對變形情況的分析，對于橋梁安全防護措施的實施起著至關重要的作用。與傳統的單個變形監測點坐標成果相比，激光點云數據可以較完整地表達被監測對象，作為變形情況分析的基礎數據更為可靠[12]。在本項目中，完成點云預處理后，針對精確拼接后的點云進行特征線提取，分別在頂部、中部和底部各截取一處，并進行三個位置的橋墩中心點擬合。將擬合出的橋墩中心點偏移量除以橋墩高度(此處指上下特征線位置之間的垂直距離)，即可獲得該橋墩的垂直度，將各期測算出的垂直度進行對比，就獲取了垂直度變化信息。橋墩特征線截取如圖2所示。

圖2 橋墩特征線截取

2018年～2019年，共進行4期測試，每年冬夏各1次。每期均對22個橋墩測量，限于篇幅，主橋兩側各一個橋墩列出垂直度統計情況，如表1所示：

部分橋墩垂直度計算成果統計 表1

3.2 應用效果

(1)作業效率

本實驗共4次測量(每年冬夏各1次，測試2年)，每次均掃描22個橋墩，在1～3次觀測中均采用高精度全站儀、三維激光掃描儀同時作業，第4次僅采用三維激光掃描方法。作業效率對比如表2所示。

三維激光掃描與極坐標測量作業效率對比 表2

在作業時間上，采用三維激光掃描縮短一半。而且掃描僅需1人作業，操作難度較小，采集數據更豐富，返工率低，總體來說比全站儀測量方式具有較明顯的效率優勢。

(2)精度分析

垂直度變化觀測的主要方法是以地面橋墩位置為基準，比較橋墩頂部平面位移的變化情況，因此應參考橋梁或建筑水平位移觀測的相關要求。本實驗項目采用三維激光掃描方式每一輪觀測均進行4次觀測，將每次擬合的橋墩上下中心點坐標進行對比并統計中誤差，統計結果如表3所示：

基于精細點云數據擬合橋墩中心的精度統計 表3

在《工程測量規范》(GB50026-2007)中，對觀測等級為三等的水平位移觀測點位中誤差限差要求為 6.0 mm，二等要求為 3.0 mm。可見，采用精細三維激光掃描方法進行垂直度變化量的觀測精度滿足本項目要求，在觀測條件容許的情況下，也滿足二等變形觀測要求。

4 結 語

無論采用何種方法進行垂直度測量，限于橋墩的施工工藝、現場情況等條件，都不可能得到精確的結果。實際工程中，在橋墩上選擇固定的觀測截面、每期對相同位置進行觀測，再對比垂直度的變化情況更有參考意義。本文結合橋墩垂直度測量技術的發展現狀，介紹了采用三維激光掃描技術進行橋墩垂直度測量及垂直度變化量分析的方法和步驟，從效率和精度兩個方面的對比，描述了三維激光掃描技術的優勢。通過理論分析和實例驗證，在較差的作業環境下，采用三維激光掃描技術具有作業效率高、數據可靠性強、數據量豐富等特點，可以在各類橋梁的橋墩垂直度測量、特別是垂直度變化分析的項目中廣泛使用。