激光掃描技術(shù)在橋墩垂直度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

熊黃磊，王凱樂(lè)，何超

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401121)

1 引 言

高橋墩垂直度變化的監(jiān)測(cè)是橋梁健康監(jiān)測(cè)的重要組成部分[1]。對(duì)于橋墩垂直度變化的監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)方法是采用全站儀光電設(shè)備進(jìn)行單點(diǎn)極坐標(biāo)測(cè)量完成數(shù)據(jù)采集，雖然高精度設(shè)備也可以保障監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求，但都是“以點(diǎn)代面”的作業(yè)方式[2]。這種以測(cè)量個(gè)別特征點(diǎn)來(lái)表達(dá)觀測(cè)對(duì)象整體變形情況的方法，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。一方面，在指定變形監(jiān)測(cè)方案時(shí)選擇的監(jiān)測(cè)點(diǎn)未必具有代表性；另一方面，如果在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)被破壞，重新選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)意味著前期的變形監(jiān)測(cè)成果延續(xù)性中斷，不利于做變形分析。除上述風(fēng)險(xiǎn)外，由于大橋下通常作業(yè)空間狹小、橋墩較高，觀測(cè)時(shí)仰角較大，觀測(cè)員采用全站儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)量時(shí)非常困難，難以獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，因其非接觸式測(cè)量、自動(dòng)采集、相對(duì)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在精確地獲取橋墩表面高密度點(diǎn)云的基礎(chǔ)上進(jìn)行變形分析，較好地彌補(bǔ)了單點(diǎn)測(cè)繪的不足。目前激光掃描儀硬件發(fā)展非常快，掃描速度和測(cè)角測(cè)距精度也不斷提高，掃描單點(diǎn)的精度已達(dá)到全站儀極坐標(biāo)測(cè)量精度，相對(duì)精度甚至更高[3，4]。近年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)方面也取得了豐碩的成果，應(yīng)用日漸廣泛[5]。本文提出了基于高精度激光點(diǎn)云進(jìn)行橋墩垂直度變化情況分析的方法，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，取得了較好的效果。

2 橋墩垂直度變化監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)測(cè)量方式通常在橋墩某個(gè)觀測(cè)面的頂部和底部各選擇至少一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在該觀測(cè)面附近的設(shè)站，采用邊角測(cè)量的方式分別觀測(cè)橋墩頂部和底部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以橋墩底部的點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)比橋墩頂部中心相對(duì)位移的變化，進(jìn)而解算垂直度的變化情況。常用作業(yè)方式有固定點(diǎn)測(cè)量法和任意設(shè)站測(cè)量法。

2.1 固定點(diǎn)測(cè)量法

在首次觀測(cè)時(shí)，采用升降機(jī)等設(shè)備在橋墩目標(biāo)觀測(cè)面的頂部正中位置和底部正中位置埋設(shè)固定點(diǎn)位標(biāo)志，一般情況下是沿橋梁縱向和橫向的橋墩側(cè)面各埋設(shè)一對(duì)點(diǎn)，盡量拉長(zhǎng)上下標(biāo)識(shí)點(diǎn)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(cè)仰角過(guò)大)各設(shè)置固定觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)通視情況布設(shè)一些永久性公共后視點(diǎn)。

觀測(cè)時(shí)，采用具有漫反射功能的全站儀在測(cè)站點(diǎn)上設(shè)站，后視公共后視點(diǎn)，先后觀測(cè)橋墩頂部和底部的標(biāo)志點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量的斜距、水平角、垂直角，計(jì)算上下兩點(diǎn)的平面位置偏距，該偏距與上下點(diǎn)位間的間距之比，即為觀測(cè)橋墩該方向垂直度測(cè)量值[6]。將不同期次的垂直度測(cè)量及解算值進(jìn)行對(duì)比，可獲取該橋墩垂直度變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩垂直度變化的監(jiān)測(cè)。

2.2 任意設(shè)站測(cè)量法

有些橋梁橋下地勢(shì)陡峭、環(huán)境較差，或者橋墩過(guò)高，施工設(shè)備不易到達(dá)，在橋墩上設(shè)置固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位標(biāo)志較為困難，可采用任意設(shè)站的方式進(jìn)行測(cè)量。作業(yè)時(shí)，在方便觀測(cè)的位置任意設(shè)站，后視公共點(diǎn)，觀測(cè)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(cè)一個(gè)面。外業(yè)觀測(cè)完畢后，計(jì)算縱橫向觀測(cè)墩頂、底中心的夾角，結(jié)合距離計(jì)算觀測(cè)墩頂、底中心縱橫向的偏移量，最后計(jì)算觀測(cè)墩的傾斜位移量，即完成該橋墩的垂直度觀測(cè)。該位移量與上下點(diǎn)位之間的間距之比，即為觀測(cè)橋墩該方向垂直度測(cè)量值。將不同期次的垂直度測(cè)量及解算值進(jìn)行對(duì)比，可獲取該橋墩垂直度變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩垂直度變化的監(jiān)測(cè)。任意設(shè)站測(cè)量法作業(yè)靈活性更高，但是如果對(duì)解算成果有疑問(wèn)，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核時(shí)工作量較大。

2.3 傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足

在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，上述兩種測(cè)量方式具有明顯不足，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)作業(yè)效率低。距離測(cè)量和角度測(cè)量均需要進(jìn)行多測(cè)回測(cè)量。

(2)相對(duì)精度低。高橋墩一般間距較小，在近距離進(jìn)行垂直度測(cè)量時(shí)，仰角較大，角度測(cè)量困難，難以確保角度測(cè)量精度，因而計(jì)算結(jié)果的相對(duì)精度較低。

(3)點(diǎn)位標(biāo)志難以保存。橋墩上的點(diǎn)位標(biāo)志，尤其是橋墩下部的點(diǎn)位標(biāo)志容易被堆積物或臨時(shí)建(構(gòu))筑物遮擋，地面測(cè)站點(diǎn)標(biāo)記也很難長(zhǎng)久保存。

3 應(yīng)用案例

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為橋墩垂直度提供了高精度快速測(cè)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(duì)精度，以Foucuss350為例，測(cè)程范圍為0.6m～350 m，測(cè)距標(biāo)稱精度為 ±1 mm，掃描視場(chǎng)角為360°(水平)×300°(垂直)，角度相對(duì)測(cè)量精度1"，角度測(cè)量自動(dòng)補(bǔ)償范圍為±2°。根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)中對(duì)于變形觀測(cè)的要求，特大型橋觀測(cè)等級(jí)為二等，大型橋梁觀測(cè)等級(jí)為三等，二、三等觀測(cè)在基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量階段測(cè)距方面分別要求采用 2 mm級(jí)儀器和 5 mm級(jí)儀器，測(cè)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(biāo)稱精度均滿足二等觀測(cè)要求，更加滿足立交橋橋墩墩垂直度測(cè)量(按大型橋梁考慮，觀測(cè)等級(jí)應(yīng)選擇三等)。

重慶作為典型的山地城市，因?yàn)槠涞匦翁攸c(diǎn)，在橋梁建設(shè)工程中經(jīng)常出現(xiàn)超過(guò) 15 m的高橋墩。本文以蘇家壩立交高橋墩垂直度變化監(jiān)測(cè)為例進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)(圖1)，介紹利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行橋墩垂直度變化監(jiān)測(cè)的主要步驟和應(yīng)用效果。

圖1 立交橋下橋墩概況(局部)

3.1 作業(yè)流程

(1)選取合理的測(cè)站點(diǎn)

測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)是保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的關(guān)鍵，測(cè)站點(diǎn)選擇合理，能夠減少測(cè)站數(shù)量、提高點(diǎn)云拼接速度和精度，并盡可能多地獲取橋墩特征數(shù)據(jù)。

(2)橋墩點(diǎn)云采集

對(duì)目標(biāo)橋墩進(jìn)行全方位點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，可以采用兩種掃描方法[8～11]。

方法一：儀器架和標(biāo)靶均架設(shè)在具有精確坐標(biāo)的控制點(diǎn)上，所有控制點(diǎn)坐標(biāo)成果在同一個(gè)坐標(biāo)系之下。數(shù)據(jù)處理時(shí)，各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)不需要選取特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，在導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，在點(diǎn)云處理軟件中輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)即可。采用這種方法作業(yè)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度取決于控制點(diǎn)精度，以及掃描作業(yè)時(shí)的人為如此和儀器誤差綜合影響。

方法二：標(biāo)靶設(shè)在控制點(diǎn)上，三維激光掃描儀根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況任意架站，但相鄰兩站至少掃描到1個(gè)共同標(biāo)靶(盡可能多)，作業(yè)完成后在導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，在點(diǎn)云處理軟件選取靶心輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)上，用后方交會(huì)法計(jì)算測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)將點(diǎn)云坐標(biāo)也歸算到統(tǒng)一的坐標(biāo)系。

無(wú)論采用哪種方法，每期對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象均需要進(jìn)行4次獨(dú)立掃描，獲取4個(gè)點(diǎn)云文件。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理較為關(guān)鍵，直接影響變形分析的結(jié)論。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要目的有兩個(gè)，一是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲去除、冗余點(diǎn)抽稀等處理，減少數(shù)據(jù)量，留取有用信息；二是對(duì)所掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、渲染，并評(píng)估點(diǎn)云拼接精度。本文案例采用方法二進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于測(cè)量距離近、公共后視點(diǎn)和特征點(diǎn)比較多、點(diǎn)云重合度高，最終拼接效果較好，采用隨設(shè)備配套的點(diǎn)云數(shù)處理軟統(tǒng)計(jì)自動(dòng)拼接精度為 0.9 mm，人工選取特征點(diǎn)后的拼接精度為 0.4 mm。

(4)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形分析

基于點(diǎn)云提取橋梁，以及對(duì)變形情況的分析，對(duì)于橋梁安全防護(hù)措施的實(shí)施起著至關(guān)重要的作用。與傳統(tǒng)的單個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)成果相比，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以較完整地表達(dá)被監(jiān)測(cè)對(duì)象，作為變形情況分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更為可靠[12]。在本項(xiàng)目中，完成點(diǎn)云預(yù)處理后，針對(duì)精確拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行特征線提取，分別在頂部、中部和底部各截取一處，并進(jìn)行三個(gè)位置的橋墩中心點(diǎn)擬合。將擬合出的橋墩中心點(diǎn)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(cè)算出的垂直度進(jìn)行對(duì)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(jìn)行4期測(cè)試，每年冬夏各1次。每期均對(duì)22個(gè)橋墩測(cè)量，限于篇幅，主橋兩側(cè)各一個(gè)橋墩列出垂直度統(tǒng)計(jì)情況，如表1所示：

部分橋墩垂直度計(jì)算成果統(tǒng)計(jì) 表1

3.2 應(yīng)用效果

(1)作業(yè)效率

本實(shí)驗(yàn)共4次測(cè)量(每年冬夏各1次，測(cè)試2年)，每次均掃描22個(gè)橋墩，在1～3次觀測(cè)中均采用高精度全站儀、三維激光掃描儀同時(shí)作業(yè)，第4次僅采用三維激光掃描方法。作業(yè)效率對(duì)比如表2所示。

三維激光掃描與極坐標(biāo)測(cè)量作業(yè)效率對(duì)比 表2

在作業(yè)時(shí)間上，采用三維激光掃描縮短一半。而且掃描僅需1人作業(yè)，操作難度較小，采集數(shù)據(jù)更豐富，返工率低，總體來(lái)說(shuō)比全站儀測(cè)量方式具有較明顯的效率優(yōu)勢(shì)。

(2)精度分析

垂直度變化觀測(cè)的主要方法是以地面橋墩位置為基準(zhǔn)，比較橋墩頂部平面位移的變化情況，因此應(yīng)參考橋梁或建筑水平位移觀測(cè)的相關(guān)要求。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用三維激光掃描方式每一輪觀測(cè)均進(jìn)行4次觀測(cè)，將每次擬合的橋墩上下中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比并統(tǒng)計(jì)中誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示：

基于精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合橋墩中心的精度統(tǒng)計(jì) 表3

在《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)中，對(duì)觀測(cè)等級(jí)為三等的水平位移觀測(cè)點(diǎn)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(xì)三維激光掃描方法進(jìn)行垂直度變化量的觀測(cè)精度滿足本項(xiàng)目要求，在觀測(cè)條件容許的情況下，也滿足二等變形觀測(cè)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)論采用何種方法進(jìn)行垂直度測(cè)量，限于橋墩的施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)情況等條件，都不可能得到精確的結(jié)果。實(shí)際工程中，在橋墩上選擇固定的觀測(cè)截面、每期對(duì)相同位置進(jìn)行觀測(cè)，再對(duì)比垂直度的變化情況更有參考意義。本文結(jié)合橋墩垂直度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行橋墩垂直度測(cè)量及垂直度變化量分析的方法和步驟，從效率和精度兩個(gè)方面的對(duì)比，描述了三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)理論分析和實(shí)例驗(yàn)證，在較差的作業(yè)環(huán)境下，采用三維激光掃描技術(shù)具有作業(yè)效率高、數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量豐富等特點(diǎn)，可以在各類橋梁的橋墩垂直度測(cè)量、特別是垂直度變化分析的項(xiàng)目中廣泛使用。