橋梁檢測三維激光掃描技術的應用

丁鵬劍

（江西省公路工程檢測中心，江西 南昌 330013）

0 引言

橋梁檢測工作的實施過程中，應用點云數據建設模型，可以提高檢測的精度。這種方式獲取各項數據信息，應用三維激光掃描方式完成工作，落實橋梁檢測的工作和要求，能夠填補傳統變形檢測不能精確定點測量的檢測空白。對于實際測量的數據實施系統化的處理，獲得被測量部位上的三維坐標數據，并開展連續性的三點測試，進而可以形成全新的模型框。在檢測環節能夠定期觀察了解結構的變形狀況，得出橋梁的使用狀態。三維激光技術能掌握足夠的數據信息，快速完成模型構建，對提高掃描精度產生積極的意義，在橋梁檢測中可以快速地完成形態分析、變形評價，所以在橋梁變形檢測領域得到廣泛的應用。

1 技術原理與優勢

目前的三維激光掃描技術包含多種類型，按照不同的標準進行分類，比如依據空間載體上的差異，將其分為機載、車載、地面設備等；依據不同測量方式，可以分為脈沖式、相位式、光學結構式等。可以結合不同使用情況，選擇合適的設備類型。三維掃描技術中應用最廣泛的是激光測距技術，通過應用光速水平和垂直角構建點云模型，在通過現場的設備獲取相應的時間數據信息和距離信息，然后得出三維坐標數據。

在地面掃描技術中，包含很多組成部分，應加強各個部分和環節的控制，在并根據需要選擇合適的掃描頭，利用發射、接收信息的裝置能夠實現快速定位，獲取相應的空間位置信息。控制器結構內，以距離測量模塊、掃描控制模塊和計算機總線作為主要的組成部分，進行反射強度的計算分析，經過分析確定后，獲得的信息傳輸到計算機處理器、存儲器內，再開展深入的分析。三維掃描技術獲取坐標參數后，首先應確定相應的空間直角坐標系，明確原點，然后明確坐標參數，為后續工作提供基礎。在三維模型建設過程中，三維數據坐標的獲取可以得出相應的坐標數據信息，從實測定位、遙感測繪、光學測繪等方面出發，收集各個坐標點的數據信息，利用測量程序、三維激光掃描技術，能夠準確地建立模型數據信息。經過分析發現，該方式的精度達到毫米級，同時還具備操作便捷、采集密度高、主動測繪等優勢，不受外部環境的干擾。應用相機和定位系統可以創建三維實體模型，得到點數數據信息，測量質量和效率比較高、工作強度比較低、作業量較少。

2 橋梁變形的檢測方案

某大型橋梁工程設計為懸索形式，跨徑尺寸大，對現場施工標準要求較高，技術人員根據實際情況確定檢測實施方案，包含下述幾個方面：

2.1 檢測基準點和檢測點的布設

分析橋梁變形數據的環節利用三維激光掃描技術進行，在現場明確基準點。基準點布置時，要確保數據采集準確、精確以及可靠，分析各方面因素，優化數據點的設置，提高系統運行精度。當前，效果最佳的是應用GPS 系統與全站儀測量聯合應用，獲取坐標參數，然后即可形成變形點數據，對變形量的分析和控制起到積極的作用。

2.2 三維激光技術掃描點云數據的預處理

獲取點云數據后，根據系統預定的標準可以完成點云數據預處理工作，還要分析變形量的數據信息，進而可以掌握橋梁變形的情況。預處理點數據是重要的工作，目的是將大量的數據信息中個別冗余數據點去除掉，還可以完成各項點云數據的拼接以及渲染處理。在點云數據處理環節，應做的是優化數據，將各項數據轉化為需要的數據格式，使用Micro.Station完成數據處理，獲得文本數據信息，并使用相關系統實現數據的優化與改進，提高數據的利用率。

2.3 變形檢測數據變形分析方法

預處理工作結束后，得到優化后的數據信息，在系統內直接進行橋梁變形量數據的獲取。因為系統獲得的點云數據是整體性的，所以通過數據分析和處理即可得到整個橋梁變形的信息，再根據分析軟件得到的整體形變數據信息，分析特定范圍內的模型信息，最終掌握形變信息，借助LiDARSurvey 可以進行整個區域的隔離性處理，得出點位受力數據，為橋梁優化設計提供基礎條件。在變形檢測環節，獲得的變形數據分為下述幾個方面：基于LiDARSurvey 建設點模型，渲染處理后獲取相應模型，分為曲面模型與線模型，了解各個模型的變化量，即可得出變形狀態信息。

3 技術應用

3.1 控制網測量

某橋梁項目的工程量巨大，是當地重要的交通要道，對整個區域經濟發展有重要的影響。整個橋梁項目建設技術水平要求高，施工難度也比較大。該項目的建設總長度為12.89km，包含兩座特大的跨海大橋。根據設計方案的要求，該項目選用的是鋼箱梁橋梁形式，主跨結構尺寸比較大，引橋設計為預制拼裝箱梁形式，采取分節段的制造方式。在橋梁正式投入使用之前，對橋梁實施荷載試驗分析，確定是否能夠達到正常通行的標準。在對橋梁進行荷載試驗分析時，需要進行全面變形檢測，只有達到規定標準要求，才能投入使用。在變形檢測中，技術人員決定應用三維激光掃描技術開展，并根據需要在現場布置控制點和基準網。利用測繪系統可以開展全面的復核與檢測工作，并應用靜網觀測的方法，形成全面的監控網絡體系，對數據獲取產生積極的作用。在觀測的環節，一般需要觀測1h，并進行數據采樣，發揮出衛星測量技術的優勢，使用衛星數量在4 顆以上，觀測1.6個小時以上。為了防止出現嚴重的偏差，各個基準點都要進行強制對中設置，再獲取數據信息，實現全面檢測。工作開展中，采用中心連接螺栓的方式固定儀器，將對中偏差限定在合理的范圍內。基準點設置工作結束后，應用南方GNSS 接收機對整個橋梁項目實施靜態觀測。通過控制網二維約束平差與三維自由網平差后，獲得各個基準點的坐標、高程數據信息。

3.2 數據采集

結合不同位置上的地形條件，選擇合適的三維激光掃描儀設備，以達到數據精度的要求。結合此次測量工作的需要，選擇應用RIEGLVZ-400i 設備。結合此次橋梁的變形檢測工作的要求，按照如下順序進行觀測設置：

第一，在整個橋梁的西側位置上，在臨江一側以及屋頂部位上設置基準點，并對橋梁的主纜、吊索、索夾、索鞍、塔柱等進行掃描，了解變形數據信息。

第二，對于測量的東塔、西塔的引橋結構，在橋梁上設置基準點，在定向處理結束后，開展掃描和處理。為了使檢核以及拼接作業都能夠順利完成，在每一次基準點布設結束后，都要對整個結構進行重合性掃描，以實現公共面的重合性設置，即可對測量后的點云數據檢核確定，明確具體的基準點的精度信息。根據此次設置的東塔、西塔的塔基位置設置紙質標靶，經過掃描的環節，可以進行標靶位置的掃描設定。再應用徠卡精度為0.5s 的全站儀TM50I 測量。根據基準點的設置形式，完成標靶中心測量工作，得到三維坐標數據信息，為后續的激光掃描數據測量和應用起到一定的作用。基準點距離標靶的間距控制在300m以內，在后續的內業處理環節，軟件自動識別標靶中心數據信息，并可以快速確定坐標數據信息。因為整個橋梁的尺寸比較大，在荷載試驗中，采取分級加載的方式。在整個荷載試驗的過程中，溫度的變化影響比較大，對各個結構部位的數據信息都會產生很大影響，是難以忽視的，雖然對現場的溫度有精確的記錄，但是溫度場變化有很高的復雜性，應及時做出修正處理。為了避免溫度荷載對檢測數據信息產生很大的影響，在試驗前，應落實24h 的索塔塔偏檢測和記錄。使用全站儀觀測數據，間隔1h 記錄一側塔偏的變化情況。為了快速完成數據校核，索塔頂部需要設置投標靶，再應用三維掃描儀實現觀測，快速掌握變形數據信息，了解索塔形變狀態。將各項數據傳輸到內業空間，應用全站儀可以分析數據，并通過對比確定變形量數據信息。

3.3 數據預處理

在此次數據觀測和分析中，外業掃描后，系統會接收大量的點云數據，甚至超過10 億個。但是在操作中，有很多因素產生較大的負面影響，導致數據精度不合格，點云數據內有較多的冗余數據，對數據精度造成不利的影響。因此，需要利用先進技術將冗余數據消除掉，以免給建模造成負面的影響，提高建模的質量。

點云數據處理的環節，先要優化掃描數據信息，通過系統合理做出調整與改進，得出符合使用需要的格式，開展優化處理。自然環境中的光線、溫度、濕度等方面要素都會對數據精度產生影響，且在測量中，設備會發生一定的振動、鏡面反射等問題，所以應隨時關注點云數據拼接，消除數據偏差的影響。在現場掃描工作實施中，因為基準點點位存在限制和影響，并且整個橋梁組成是比較復雜的，無法一次性獲取相關的數據信息，因此在方案設計環節，應落實分塊掃描操作，再獲得各個塊區點云數據，然后利用點云數據拼接把各個區的數據整合應用，才能計算確定誤差參數，得出拼接精度。整個過程中，只要發現問題，就必須立即解決，以免問題擴大造成嚴重的后果。系統直接把多余點云剔除掉，并進行數據分塊導出。從實際應用效果看，此次應用的三維激光掃描儀獲得變形數據時，點云數據的精度控制在5mm 左右。整個橋梁的點云數據拼接工作結束后，即可完成平差整理性處理，從而獲得的點云平面與高差偏差不超過1～2cm。

3.4 點云建模

經過數據預處理，通過系統可以完成數據建模作業，構建出符合人們使用需要的模型。使用計算機軟件開展建模與分析，通過系統設置的方式，將不同部位的數據進行著色處理，再渲染處理，獲取需要的圖像，并根據實際應用的要求，刪除離散點數據，達到使用效果。在這種條件之下，對系統數據完成降噪，將系統內的冗余數據完全剔除掉，保證點云數據達到平滑性要求，并利用采樣功能可以抽稀處理點云數據信息，然后得到相應的采樣間隔和曲率數據信息，最終構建出完善的點云模型數據，優化視圖。最后，對獲得的模型實施“封裝”處理，以獲取三角網模型。

3.5 點云精度比對

使用高精度的全站儀即可把索塔塔基的坐標參數傳輸到系統坐標內，與之相應的點云坐標參數對比分析，可以得出表1 的結論。

表1 承臺坐標對比（部分）

3.6 變形分析

根據此次觀測24h 獲取的塔偏數據信息，分析確定檢測參數值，并進行變形數據對比分析，得出精度數據。經過以上各項處理措施，把獲取到的模型信息進行系統化處理，再分析相關的變形數據，可以組合形成模型系統，開展數據信息分析和控制。應用三維數據對比方式，可以快速處理模型信息，以便設計人員快速掌握和了解數據偏差。利用模型圖能夠真實、準確地反映出偏差最大位置的信息，了解這一要素，就可以確定橋梁應力集中點的位置，掌握局部偏差數據。三維激光掃描技術的最大優勢是不需要應用光源即可實現，即使光線不充足，也能順利實施測量作業，達到精準度的要求。但是在實際測量的環節，由于外部因素的干擾和影響，容易出現數據偏差的問題。

4 結語

三維激光掃描技術主要優勢是可以實景復刻，根據需要使用點云數據進行模型建設，數據準確性高。使用三維激光掃描儀可以獲取橋梁變形數據信息，進行數據處理后建設完善的變形檢測模型，應用范圍比較大。隨著技術的不斷發展，三維激光掃描儀的精度不斷提高，一般可以達到5mm 的精度，從而提高橋梁變形檢測的效果。本文通過實際案例分析三維激光掃描技術的應用優勢，結果表明，點云數據精度達到要求標準，各方面數據符合橋梁變形檢測要求。