激光掃描技術(shù)下橋梁變形監(jiān)測方法的研究

黃承亮

(重慶市勘測院，重慶400020)

一、引 言

三維激光掃描技術(shù)被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，它能夠快速、全面、海量地獲得原始點云數(shù)據(jù)，并利用點云數(shù)據(jù)，完整高精度地重建被測實體。在橋梁變形監(jiān)測方面，傳統(tǒng)監(jiān)測方法是通過連續(xù)和定期的單點觀測，對多期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，完成對橋梁安全性的確定，但是在對橋梁整體變形或任意位置的變形情況無法準(zhǔn)確獲取。三維激光掃描技術(shù)憑借其獨特的數(shù)據(jù)獲取方式，方便、快速、全面地獲取變形體物表面的三維數(shù)據(jù)，掃描精度均勻、密度高，可以很明顯地反映出物體表面的細(xì)節(jié)變化，便于整體從形態(tài)上分析和評價變形。因此在橋梁變形監(jiān)測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文針對橋梁監(jiān)測精度要求高的特點，提出并設(shè)計了橋梁變形監(jiān)測方案，采用建立精密控制網(wǎng)作為三維激光掃描的基準(zhǔn)，輔助三維激光掃描提高測量精度，并通過試驗研究分析了基于點云數(shù)據(jù)的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法。

二、三維激光掃描儀和相關(guān)軟件介紹

1．三維激光掃描儀

本文采用的是是奧地利RIEGL公司的最新一代激光掃描儀，VZ-1000三維激光掃描儀。該儀器由高精度、長距離三維激光掃描儀和高分辨率的數(shù)碼相機(jī)組成。VZ-1000三維激光掃描儀最遠(yuǎn)掃描距離可到1400 m，測量精度優(yōu)于5 mm，建模精度優(yōu)于2 mm。

2．相關(guān)軟件介紹

(1)RiSCAN PRO

RiSCAN PRO是三維激光掃描儀VZ系列的自帶軟件。用戶可以用RiSCAN PRO軟件配置傳感器參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存檔等操作。

(2)Geomagic Studio

由美國Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件Geomagic Studio可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。Geomagic Studio可根據(jù)任何實物零部件自動生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型。

(3)Geomagic Qualify

Geomagic Qualify是由美國Geomagic公司提供的一款快速檢測軟件。通過這個軟件可以準(zhǔn)確、快速地檢測到CAD三維數(shù)字參考模型與實際構(gòu)造部件之間的尺寸誤差，并自動地將這種比較的結(jié)果差異以直觀、易懂的色譜圖形式來顯示出來。除此之外，它還可以進(jìn)行形位誤差的比較、評估等。該軟件還會將檢測到的尺寸誤差、形位誤差等結(jié)果，以報告的形式呈現(xiàn)出來。

三、橋梁監(jiān)測方案與數(shù)據(jù)處理

本文根據(jù)Riegl VZ1000三維激光掃描儀的特點以及數(shù)據(jù)處理軟件的功能，設(shè)計了變形監(jiān)測方案，包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分，如圖1所示。

圖1 橋梁監(jiān)測方案與數(shù)據(jù)處理

1．控制網(wǎng)建立于數(shù)據(jù)采集

獲取高質(zhì)量點云數(shù)據(jù)要從距離、角度等方面入手，在控制網(wǎng)布設(shè)過程中要注意以下3個方面:①控制點之間的間距控制在100 m以內(nèi)且通視良好;②控制點到掃描目標(biāo)距離控制在50 m以內(nèi);③網(wǎng)形布設(shè)要符合常規(guī)布設(shè)要求。

使用GPS和高精度全站儀進(jìn)行控制網(wǎng)測量，利用GPS獲取基準(zhǔn)點的空間大地坐標(biāo)，利用高精度全站儀獲取均勻分布在橋梁周圍的控制點坐標(biāo)。控制網(wǎng)的作用是:①可以將橋梁點云數(shù)據(jù)由自由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到空間大地坐標(biāo)系中;②在三維激光掃描過程中將控制點作為標(biāo)志點架設(shè)標(biāo)靶或三維激光掃描儀。

采用Riegl VZ1000三維激光掃描儀獲取橋梁實體的三維坐標(biāo)，掃描過程依據(jù)其配套軟件RiSCAN PRO的功能，可以采用兩種掃描方法:①將儀器架設(shè)在控制點上并進(jìn)行對中整平，將標(biāo)靶架設(shè)在后視控制點上進(jìn)行定向，然后掃描，多站測量也是如此，這樣掃描的多站點云數(shù)據(jù)不需要配準(zhǔn)，均在控制網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下的大地坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，掃描精度取決于控制網(wǎng)精度以及掃描時的誤差影響;②將標(biāo)靶架設(shè)在控制點上，掃描儀任意架站，每連續(xù)不同兩站有相同的標(biāo)靶作為同名點，掃描結(jié)束后可以依據(jù)RiSCAN PRO數(shù)據(jù)處理軟件將控制點坐標(biāo)加入到標(biāo)靶擬合中心點上，采用后方交會將測站點計算并轉(zhuǎn)入大地坐標(biāo)系統(tǒng)中。

2．橋梁變形監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用三維激光掃描儀獲取橋梁體點云數(shù)據(jù)后，必須要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為后續(xù)的變形分析與提取變量作好必要準(zhǔn)備，原因如下:首選，橋梁是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，掃描時必須要多站掃描，點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)也必須進(jìn)行;其次，在掃描過程中難免會有冗余數(shù)據(jù)、噪聲等雜點，點云數(shù)據(jù)去噪、縮減也是數(shù)據(jù)處理的重要步驟。

3．橋梁點云數(shù)據(jù)變形分析方法

三維激光掃描獲取橋梁數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理配準(zhǔn)完成后的變形分析、變形提取工作是變形監(jiān)測的核心。變形量的分析和提取的質(zhì)量好壞直接影響著變形監(jiān)測的預(yù)測與防護(hù)。三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)是全面的整體數(shù)據(jù)，但是單點定位的精度并沒有傳統(tǒng)測量方法精度高，而其表面建模精度卻很高，這個優(yōu)勢很明顯。在橋梁構(gòu)筑物特征明顯的部位，通過對橋梁構(gòu)筑物表面掃描的點云進(jìn)行建模分析，可以一定程度上反映出橋梁下沉、傾斜、表面損壞等情況。本文主要運(yùn)用第三方點云處理軟件對橋梁建立三維模型，并通過檢測軟件對每期模型之間的變化進(jìn)行分析和提取。

(1)基于Geomagic Studio建立點云三維模型

Geomagic Studio軟件點云建模包括3個階段:點階段、三角形階段和曲面階段。

在點階段首先對導(dǎo)入點云進(jìn)行著色處理，使點云數(shù)據(jù)顯示更加直觀和立體，方便后續(xù)的處理;然后通過“體外孤點”命令對點云數(shù)據(jù)中遠(yuǎn)離整體點云的進(jìn)行選擇和刪除;運(yùn)用“減少噪音”命令將點移至統(tǒng)計的正確位置以彌補(bǔ)掃描儀誤差，通過“減少噪音”處理可以減少點云的噪聲點并且使點云排列更加平滑;最后通過點云抽稀功能對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，該功能按照曲率變化進(jìn)行抽稀，在曲率變化大的位置會保留較多的點，在曲率變化小的位置保留較少的點，這樣既能抽稀更多的點也能保留更多的點云特征。

在三角形階段，軟件將點云構(gòu)建物空間三角網(wǎng)模型。在三角形階段軟件會通過填充、裁剪、雕刻、松弛、刪除釘狀物等功能使三角網(wǎng)模型更接近于真實建筑模型。

在曲面階段，軟件會將三角形模型通過構(gòu)造生成NURBS曲面，并且可以將曲面以其他軟件格式輸出。

在變形監(jiān)測分析中，只需要物體的三角網(wǎng)模型，因此在橋梁建模中只需要建立質(zhì)量好的表面三角網(wǎng)模型。具體建模過程將在實例分析中闡述。

(2)基于Geomagic Qualify分析三維模型變形

由于Geomagic Qualify具有較強(qiáng)的模型分析和對比功能，因此在變形監(jiān)測中可以運(yùn)用該軟件強(qiáng)大的分析功能對每期數(shù)據(jù)之間的變化進(jìn)行提取。運(yùn)用Geomagic Qualify軟件的3D分析功能，可以對兩次數(shù)據(jù)模型之間的整體變形情況進(jìn)行比較，并通過色譜圖的形式進(jìn)行顯示。運(yùn)用Geomagic Qualify軟件的2D分析功能，可以在數(shù)據(jù)的任意位置作橫截面，比較橫截面位置處兩個模型的變化情況。運(yùn)用Geomagic Qualify軟件貫穿對象截面功能，可以對該截面下模型之間的特征關(guān)系進(jìn)行分析，如長度、夾角、半徑等。Geomagic Qualify軟件提供了全自動化的報表功能，可以將分析得到的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的報告進(jìn)行輸出。

四、實例分析

1．控制網(wǎng)布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

本文選擇趙家壩立交一段作為試驗對象。通過對蘇家壩立交現(xiàn)場勘查，為了獲取試驗段的橋梁數(shù)據(jù)，在立交四周布設(shè)了4個控制點，各控制點采用GPS進(jìn)行平面測量，采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測量，控制點布設(shè)如圖2所示。

圖2 控制網(wǎng)

分別在控制點ZPJ3和ZPJ4上架設(shè)掃描儀;在控制點ZPJ1和ZPJ2上架設(shè)標(biāo)靶，控制點ZPJ1作為后視定向點，控制點ZPJ2作為檢校點。掃描時采用的點云分辨率為0．03 m，在掃描同時對立交進(jìn)行了影像采集，掃描完成后對標(biāo)靶進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。共對趙家壩立交試驗段進(jìn)行了兩期掃描。

2．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理

通過掃描得到的原始點云數(shù)據(jù)如圖3所示。將控制點坐標(biāo)導(dǎo)入RiSCAN PRO軟件，由于進(jìn)行了兩站掃描因此需要對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。首先運(yùn)用軟件的Backsighting orientation功能對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到在大地坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù);然后運(yùn)用軟件的Multi Station Adjustment功能對兩站點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)拼接，通過拼接最終得到試驗段的整體點云數(shù)據(jù)，其拼接精度為2 mm。

圖3 拼接后點云數(shù)據(jù)

由于在掃描過程中存在許多的雜點和多余數(shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行刪除，采用人機(jī)交互方式對多余點云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，得到立交試驗段的獨立點云數(shù)據(jù)，如圖4所示。

3．點云建模

將橋面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio點云處理軟件中，并應(yīng)用“著色點”功能對點云進(jìn)行著色，得到效果如圖5所示。通過“體外孤點”功能對離散點進(jìn)行自動選擇，并進(jìn)行刪除。運(yùn)用“減少噪音”功能對點云進(jìn)行去噪處理，使點云更加平滑。并通過點云統(tǒng)一采樣功能對點云進(jìn)行抽稀，采用0．04 m的采樣間隔。并將曲率優(yōu)先調(diào)整到最大，得到抽稀后的點云數(shù)據(jù)，如圖6所示。從圖6中可以看出在點云抽稀同時物體的輪廓特征得到了較好保留。完成對點云數(shù)據(jù)的處理后，運(yùn)用“封裝”功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，得到三角網(wǎng)模型，如圖7所示。

圖4 試驗段獨立點云數(shù)據(jù)

圖5“著色點”橋面數(shù)據(jù)

圖6 點云抽稀結(jié)果

圖7 三角網(wǎng)模型

4．變形分析

將趙家壩立交試驗段橋面兩期模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件中，并將第1期數(shù)據(jù)設(shè)置為參考數(shù)據(jù)，將第2期數(shù)據(jù)設(shè)置為測試數(shù)據(jù)。運(yùn)用“3D比較”功能對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。

圖8 3D分析結(jié)果

通過3D分析，得到兩個模型之間的最大偏差為+0．0206/－0．0950 m;平均偏差為+0．0011/－0．0011 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．001 4 m。圖中可得出最大偏差出現(xiàn)在模型邊緣，并沒有出現(xiàn)在模型中不，因此可以看出兩期模型沒有發(fā)生較大變化。

在3D分析結(jié)果基礎(chǔ)上運(yùn)用軟件提供2D比較功能，在橋面上分別截取一個橫截面和縱截面，對兩個截面上的兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。分析得到結(jié)果分別如圖9和圖10所示。。

圖9 縱截面分析結(jié)果

圖10 橫截面分析結(jié)果

通過比較得到比較結(jié)果見表1。

表1 2D分析結(jié)果 m

為了進(jìn)一步反映橋面各個細(xì)部尺寸之間的變化情況，通過軟件提供的“貫穿截面”對兩期數(shù)據(jù)之間的相互尺寸關(guān)系進(jìn)行比較。對橋面數(shù)據(jù)在YZ平面上截取兩個截面。運(yùn)用“創(chuàng)建2D尺寸”功能對截面上的相關(guān)進(jìn)行計算和比較，如圖11和圖12所示。

圖11 貫穿截面1分析結(jié)果

圖12 貫穿截面2分析結(jié)果

從上面分析可以反映出橋面各面之間的相互關(guān)系。在兩期數(shù)據(jù)之間，橋面各相關(guān)尺寸特征變化都在允許范圍內(nèi)。綜上所述，趙家壩立交試驗段橋面處理穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生變形。

五、結(jié)束語

本文主要研究了運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測，通過建立變形監(jiān)測控制網(wǎng)，獲取橋梁點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和模型建立，進(jìn)而對橋梁整體變形情況進(jìn)行分析。通過本文的研究和試驗，證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于橋梁變形監(jiān)測在一定的條件下是可行的，為橋梁變形監(jiān)測采用新技術(shù)提供了理論依據(jù)，同時為三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑。

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