非接觸測量方法在柱狀構筑物垂直度檢測中的應用研究

歐斌

(重慶市勘測院，重慶 400020)

非接觸測量方法在柱狀構筑物垂直度檢測中的應用研究

歐斌?

(重慶市勘測院，重慶 400020)

采用應用研究與生產相結合的方法，在柱狀構筑物垂直度檢測中引入了地面三維激光掃描技術，與使用比較成熟的全站儀非接觸測量方法，從外業數據采集、內業數據處理以及計算結果等進行了對比，獲得定量的分析結果。得到了地面三維激光掃描技術在柱狀構筑物垂直度檢測中的可行性、技術優勢。

變形監測；垂直度；非接觸測量；三維激光掃描

1 引 言

變形監測是利用測量與專用儀器和方法對變形體的變形現象進行監視觀測的工作，其任務是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態和時間特征。變形監測工作是人們對變形現象獲得科學認識、檢驗理論和假設的必要手段。

隨著科學技術與工業化大生產的發展，高層建筑、超高層建筑等各種構筑物逐漸增多，體型也日趨復雜，對變形監測提出了更高的要求。如城市高層建筑、大型煙囪、橋梁塔柱、橋墩等的變形監測是維護建構筑物正常使用的必要技術措施，其中垂直度檢測是其中的一個重要部分。本文針對柱狀構筑物，選取墩高65m的立交匝道橋墩，采用技術比較成熟的全站儀非接觸投影法進行檢測的同時，引入地面三維激光掃描技術進行同步檢測，對兩種不同方法的外業數據采集、內業數據處理以及計算結果等進行對比，重點研究地面三維激光掃描技術在垂直度檢測中的技術可行性及應用方法。

2 技術特點及儀器使用

全站儀非接觸投影法是一種不接觸、多斷面測量，操作簡單、能反映柱狀構筑物中軸線空間線形狀態，通過幾何關系進行計算垂直度的檢測方法。采用垂直度的非接觸投影檢測方法，其靈敏度完全能滿足《公路橋涵施工技術規范》中的墩臺傾斜允許偏差不得超過3‰且不大于20 mm的要求[1]。

地面三維激光掃描技術是一種先進的測量新技術，以高精確、快速、海量、無接觸測量等優勢在眾多領域發揮著越來越重要的作用。與其他非接觸式測量方法相比，該技術具有較大的偏置距離和測量范圍，對某一區域掃描時，采集點位密度大，數據信息豐富，可以真實反映現實環境；測量準確度高，特別適合測量表面復雜的物體及其細節的測量，實現目標的精細化測量；測量速度快，節約大量的時間，使工作效率提高，勞動強度降低，投入費用也有減少；抗干擾性好，在昏暗的條件下或者夜間都不影響測量。

全站儀非接觸投影法采用徠卡TM30智能全站儀，其測角精度0.5″，距離測量精度0.6+1 ppm。地面三維激光掃描采用RIEGL VZ-1000地面三維激光掃描儀，其采用脈沖法測距方式，擁有全波形回波技術(waveform digitization)和實時全波形數字化處理和分析技術(on-line waveform analysis)，每秒可發射高達300，000點的纖細激光束，提供高達0.0005°(1.8″)的角分辨率，掃描距離可達1.4 km，它能夠產生完全線性、均勻分布、單一方向的掃描激光點云線。

3 方案設計及實施

某環形立交正在進行變形監測，選擇其中墩高在60 m～65 m間，墩距33 m～35 m的3個橋墩作為本次研究的檢測對象，分別采用兩種方案進行檢測。由于全站儀非接觸投影法使用較為成熟，只做簡單介紹。檢測墩柱實景如圖1所示。

圖1 檢測墩柱實景圖

3.1 全站儀非接觸投影法

根據實際條件及墩柱的分布情況，在3個墩柱的近似圓心處布設工作基點1，作為3根墩柱觀測的共用點。過墩柱中心并于墩柱與工作基點1連線的垂線方向，各布設一個工作基點，每根墩柱由兩個工作基點控制，工作基點到墩柱的距離處于墩高的1.5倍左右，如圖2所示。面精細掃描，為保證高精度的數據拼接，掃描時在其他工作基點上設置標靶。

4 數據處理與分析

圖2 工作基點布設示意圖

4.1 全站儀非接觸投影法數據處理

根據測量所得的各基準點到墩柱的水平角、垂直角和到墩柱中心距離等相關數據，計算出墩柱底部、頂部的中心坐標和高程，分別用x1、y1、z1和x2、y2、z2表示，根據垂直度計算公式(式1)計算各墩柱的垂直度。

4.2 地面三維激光掃描數據處理

(1)點云數據拼接與裁剪

如圖3所示，單站掃描數據只能反映墩柱的某一個面，對各測站點云數據進行拼接后，才能全面的反映檢測對象。點云數據拼接時，應用RIEGL自帶的處理軟件RISCAN PRO，按程序要求格式建立工作基點坐標文件，讀入程序。程序按對應的測站點和公共標靶點進行點云數據旋轉和拼接，形成統一的橋墩點云數據文件。拼接后的點云數據需要進行裁剪，去除橋墩周圍的非相關點云數據。墩柱面擬合時，根據點云數據的反射強度，首先去除反射較弱的點云數據，然后根據選取的反射強度較高的點云數據，取其點云厚度平均值作為墩柱面，去噪后的墩柱點云數據如圖4所示。

在各工作基點上設站，水平角采用測墩柱兩側取平均角，距離采用測到墩柱邊緣的水平距離加墩柱相關尺寸求中心的方法，分別對各墩柱的墩底部和墩頂部進行觀測。

3.2 地面三維激光掃描

采用RIEGL VZ-1000地面三維激光掃描儀，在圖2中的5個工作基點上設站，分別對3根墩柱進行全

圖3 單站掃描數據原始點云數據 圖4 1號橋墩點云數據

(2)墩柱中心坐標提取及垂直度計算

在本次應用研究中，除計算墩柱頂部到底部的垂直度外，增加了墩柱頂部到中部的垂直度計算。為獲得準確的墩柱底部、中部和頂部的中心坐標，分別在橋墩底部、中部和頂部截取一段點云數據，在截取的數據中做一水平截面，把水平截面的中心點作為計算墩柱垂直度的特征點，水平截面的具體高度位置根據墩柱整體掃描數據確定。截取部分點云數據如圖5、6、7所示。

水平截面的中心點坐標按幾何關系直接量取，如圖8所示。橋墩底部、中部和頂部截取水平截面中心坐標位置關系如圖9所示。

圖5 1號橋墩底部點云數據 圖6 2號橋墩底部點云數據 圖7 3號橋墩底部點云數據

圖8 墩柱中心坐標提取 圖9 墩柱截面位置關系

各水平截面中心點的高程，可直接在點云截面數據中量取，也可直接量取其相對高差。該項目通過在水平截面上量取獲得各墩柱其底部、中部和頂部中心點的坐標，如表1所示。

墩柱特征點坐標 表1

將表1中的數據根據不同部位，對應的代入式(1)，計算各墩柱及各部位的垂直度。

4.3 垂直度對比分析

根據公式計算得到3根墩柱的垂直度，并與常規測量數據結果比較，如表2所示。

橋墩垂直度比較表 表2

從表2可以得出，各墩柱采用地面激光掃描技術測量垂直度與常規測量結果接近，均真實反映了墩柱的變形情況。各墩柱通過分段測量和計算垂直度，分段數據取平均值后可以對整根墩柱垂直度計算值進行檢核，保證測量數據的準確性和高精度，滿足墩柱檢測的要求。

5 結 語

通過本文的對比分析，地面三維激光掃描儀能滿足墩柱垂直度的測量。三維激光掃描技術在墩柱垂直段檢測方法上與常規方法比較，有其獨特的優勢。

(1)外業工作效率高，可24小時作業。本次觀測平均每站測量20 min，外業用時0.5個工作日，較常規測量方法節約了1個工作日。

(2)獲取數據更豐富，可利用數據更多。常規方法獲取數據只有頂部和底部數據，三維激光掃面獲取點云數據以萬計數，可任意切取面進行數據分析和處理。

(3)針對墩柱垂直度檢測，地面三維激光掃面儀器設站靈活，不受周邊條件的限制，配合“云臺”等設備，可進行360°掃描。

文中引入的基于地面三維激光掃描技術的墩柱垂直度檢測方法，不僅適用于橋梁墩柱、煙囪等柱狀構筑物的垂直度檢測，而且可應用于工業廠房、高層及超高層等建筑的垂直度檢測。

[1] 余加勇，邵旭東，朱建軍等.柱狀構筑物垂直度非接觸檢測方法及其精度分析[J].武漢理工大學學報·交通科學與工程版，2008，32(6):1153～1156.

[2] 歐斌，黃承亮.三維激光掃描技術在分方測量中的應用研究[J].城市勘測，2012(2):123～125.

[3] JTJ 041-89.公路橋涵施工技術規范[S].

[4] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢:武漢大學，2005.

[5] 鄭德華，雷偉光.地面三維激光影像掃描測量技術[J].鐵路航測，2003，(2):26～28.

[6] 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005，14(2):32～34.

The Application and Research of Non-contact M easurement M ethod in Detecting Degree of Gravity Vertical Columnar Structure

Ou Bin
(Chongqing Surveying Institute，Chongqing 400020，China)

This paper is used researching and producing method，it’s imported 3D laser scanning technology and mature total station non-contactmeasurementmethod in detecting degree of gravity vertical，contrasted with field data collection、data processing and computed result，obtained quantitative analysis result.It get feasibility and technological advantage of 3D laser scanning technology in detecting degree of gravity vertical columnar structure.

deformation monitoring；degree of gravity vertical；non-contactmeasurement；3D laser scanning

1672-8262(2013)04-142-03

P258，P234.4

B

2012—10—07

歐斌(1977—)，男，高級工程師，主要從事工程測量及數據處理工作。