基于點云和實景數據的橋梁養護信息化

夏曉亮，姚金悅，卞勝平（.寧波市杭州灣大橋發展有限公司，浙江 寧波 57；.東南大學交通學院，江蘇 南京 0096；.泰州市鼎益建設工程有限公司，江蘇 泰州 500）

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術作為一種具有高效率、高質量的新型技術理念，在我國建筑工程領域已得到廣泛應用[1]。目前，BIM 技術在我國交通基礎設施建設中的應用仍處于探索階段，而橋梁建設作為我國交通網建設中的重要節點，在運維和養護過程中面臨病害管理的難題。國內主流的橋梁病害記錄方式分為數據庫管理和橋梁病害管理軟件兩大類，存在檢測效率、精度低下、無法直觀精細標定病害位置信息等缺陷。通過 BIM 自動化建模技術對橋梁病害信息進行三維可視化采集與管理，可以極大減輕橋梁維護人員的工作強度，提高橋梁檢測維護效率，提升橋梁工程建設水平，推動交通智能化建設。

本文以激光點云掃描測量技術、無人機傾斜攝影技術為基礎，綜合利用點云參數化模型和三維實景模型的優勢，運用 Real Works 和 Context Capture 等軟件，在國內外現有成熟技術的基礎上，進行基于點云和實景數據融合的 BIM建模關鍵技術研究，探索了基于激光掃描和傾斜攝影數據的BIM 技術在橋梁工程信息化管理中的應用。

1 基于數據融合的橋梁信息化管理方法

基于數據融合的橋梁信息化管理方法本質是建立起橋梁幾何參數、力學響應數據和病害數據的內在聯系，提高橋梁病害檢測精度與效率，最大化減少由于檢測信息更新不及時導致的嚴重衍變病害。本文結合實際工程，提出了一套基于點云和實景數據融合的橋梁信息化管理方法。

1.1 數據融合建模

目前，基于數據融合的三維實景建模技術已在工程實踐中得到了成功應用，傾斜攝影和激光點云掃描技術融合建模因具備明顯的技術優勢互補性，當前已成為國內外學者研究熱點[2]。傾斜攝影可輕松實現服役橋梁結構快速、高效、厘米級成像，但存在數據精度低、區域貼圖易受遮擋丟失等問題；激光點云掃描可對橋梁結構進行毫米級參數化三維刻畫，但存在外業測量效率低、多站式數據拼接等缺陷。二者融合建模可大幅提升橋梁三維模型的完整度、精細度與生產效率。結合現場實圖、點云模型、航攝實景等數據可建立實際橋梁的參數化模型，進一步搭建信息化管理平臺。

1.2 橋梁病害信息化管理

近年來，信息化管理技術被廣泛應用于交通基礎設施養護中。橋梁在服役過程中受到橋型結構、環境氣候、交通量等因素的影響，在復雜力學響應情況下不定期表現出多樣化的病害問題。針對服役橋梁建立三維可視化模型不僅可以測量縱坡、結構物直徑、視線角度等幾何參數，還能獲取鋪裝層表面如裂縫長度、坑槽面積、車轍深度等病害信息。

通過在關鍵部位埋設傳感器的方式，結合力學指標波動程度制定點云掃描和傾斜攝影測量周期，以實現橋梁結構變形與病害衍生監測。以點云、實景模型和現場記錄信息作為數據基礎，在 BIM 橋梁管理平臺中的集成高精度三維模型，完成病害的可視化標記。BIM 橋梁管理平臺集成了病害所處空間位置、病害類型、損壞程度、實拍圖像、檢修狀態、檢修日期與人員等多維度信息于一體。

2 點云與實景數據采集與建模

2.1 工程概況

工程基于蘇州太倉市的楊林塘大橋展開應用研究，該橋為全長 730.02 m、橋面總寬 30 m、瀝青混凝土鋪裝的預應力三跨 V 型墩直腹板變截面連續剛構橋。自 2008 年通車運營以來歷經拓寬重建、橋欄桿維修及支座維修，面臨鋪裝病害、結構安全等問題，選取其作為數據融合信息化管理養護的研究對象。

數據融合建模階段涵蓋了橋梁點云參數化模型與三維實景模型的建立。該階段作為信息化管理的開始，首先對測區制定測量方案，通過三維激光掃描儀的測程范圍確定測站布設方式，利用路徑規劃軟件制定無人機傾斜攝影飛行方案。完成實地測量后，借助 Trimble Real Works 軟件和 Context Capture 軟件分別對點云數據、實景圖像進行拼接、去雜、生產等數據處理。在橋梁信息化管理階段，利用上一階段得出的模型可進行橋梁結構參數、病害參數的直接觀察測量，開發了楊林塘大橋的信息管理平臺。

2.2 點云數據處理與參數化

結合工程經驗對大橋共布設 47 個測站，其中橋面兩側左右交錯布設 41 個，橋梁下方中間布置 2 個，墩柱位置處兩側各布設 2 個。 采用掃描速度 100 萬點/s，測程 120 m的 TX 8 三維激光掃描儀對大橋進行多站式掃描測量。通過平面標靶和球型標靶兩種基于控制點的人工配準方法來實現點云數據的多站拼接工作。

由于測量時存在激光入射角過大、掃描面細節特征突出、橋面有車輛瞬時行駛等情況，因此拼站后得到的激光點云數據包含遮擋點、錯誤點、測量隨機誤差點等無效數據類型[3]。利用 Trimble RealWorks 軟件針對噪聲點和誤差點進行截取去除，經去噪、光順、著色等操作后得到數據預處理后的點云模型。

2.3 傾斜攝影實景輸出

本工程采用的天鷹 HD 1600 六旋翼無人機集高性能處理核心、GNSS 定位系統、多功能傳感器搭載平臺等優勢于一體，實際飛行任務中通過改裝雙鏡頭相機實現了拍攝頻率的計算機自動化控制。飛行前實地考察測區地域特征，使用Mission Planner 軟件進行無人機航線規劃。方案確定無人機飛行分為三個架次，分別為160 m 高度的兩個架次和 180 m 高度的整體架構，其中前兩個架次采用傾斜攝影重點拍攝側向紋理，整體架次則采用垂直攝影補拍細節紋理，飛行過程中需注意風速、風向、太陽光角度等因素的影響。

使用 Bently 公司開發的 Context Capture 軟件對圖像數據進行空間三角測量自動計算。Context Capture 軟件具備還原度高、數據量小、兼容性強等優點[4]，空三過程中將自動計算拍攝位置并對相同位置點進行加密計算，完成切塊計算、材質賦予、搭建三角網等生產過程后得到可在 Acute 3d Viewer 瀏覽器中查看的三維實景模型。

3 工程應用效果

通過 Trimble RealWorks 軟件查看上節中提到的基于激光點云數據建立的 BIM 參數化模型，可輕松測量縱坡、直徑、角度等橋梁結構幾何參數。另外，軟件的平面切割工具可以得到現有橋梁的 CAD 二維設計圖紙，作為后期改擴建工程設計的依據。點云逆向測量應用效果如圖 1 所示。

圖1 點云逆向測量效果

在 Acute 3d Viewer 瀏覽器對實景模型進行橋面鋪裝病害的識別與測量，可極大地減輕橋梁維護檢修人員的工作強度，提高橋梁檢測維護精度與效率。圖 2（a）所示的是橋面鋪裝某處裂縫長度的測量，修復的坑槽面積測量如圖 2（b）所示，測量結果與橋梁實體誤差控制在 0.5 mm 以內。

在上述全部模型創建完畢后，進行模型的整合處理，搭建內含病害信息、檢測日志、巡檢任務、巡檢流程等模塊的橋梁信息化管理平臺。管理平臺在生成可視化病害標記體的基礎上，實現病害類別、位置、檢修情況等信息的集成統一，三維可視化病害標記體如圖 2（c）所示。通過新增、更新病害數據記錄，逐步形成橋梁在服役期間的病害歷史數據庫如圖 2（d）所示。

圖2 楊林塘大橋信息化管理平臺

3 結 語

本文綜合利用激光點云掃描和無人機傾斜攝影的技術優勢，進行基于點云和實景異構數據融合的建模關鍵技術研究，以蘇州太倉市楊林塘大橋工程為例，建立了集成融合數據的橋梁信息化管理平臺，探索了基于激光掃描和傾斜攝影數據的信息化技術在橋梁養護管理中的應用。相比傳統橋梁養護方式，本文提出的方法可以極大減輕橋梁維護人員的工作強度，提高橋梁維護效率和鋪裝層壽命，彌補傳統養護方式中速度慢、全局性差、可視化程度低、安全性差等缺陷。通過構建橋面鋪裝病害修復數據庫，進而建立橋梁全生命周期內的信息化管理機制和橋梁全生命周期鋪裝養護智能決策系統，為橋梁后期運營養護提供可靠直觀的科學依據。