三維激光掃描技術在橋梁檢測中的應用研究

作者簡介：

陳家鋒（1988—），工程師，主要從事橋梁工程質量檢測與評價工作。

摘要：為了對設計資料缺失的橋梁進行有效精確檢測，可將三維激光掃描技術應用于橋梁檢測中。文章介紹了三維激光掃描技術的工作原理與數據處理流程，并通過實驗室小型簡支梁撓度三維掃描試驗，對比分析了掃描儀測試的變形值和百分表的實測值，研究了三維激光掃描技術在橋梁檢測中應用的可行性。結果表明，三維激光掃描測試結果與百分表實測測試結果誤差≤5%，符合橋梁檢測的標準，三維激光掃描技術可作為一種橋梁檢測的準確方法。

關鍵詞：三維激光掃描技術；工作原理；橋梁檢測；撓度試驗

中圖分類號：U446.2 A 41 130 3

0 引言

我國高速公路建設里程已居于世界前列，橋梁的規模和數量位居世界第一［1］。然而，隨著服役年限的增長，大量橋梁的使用壽命和服役功能受到了影響，橋梁的狀態檢測與評估顯得至關重要。

我國許多中小橋梁建于20世紀80、90年代和21世紀初，廣泛存在設計和施工資料缺失的情況，為橋梁檢測的模型建立和方案編制增加了難度。對于缺失資料的橋梁，通常進行現場人工量測，并根據經驗結合同類型設計進行資料補充，不僅耗時耗力，也降低了數據的準確性。三維激光掃描技術利用掃描設備對目標物體進行分析，從而完整得到物體的空間坐標及表面信息的功能，可用于橋梁檢測工程中［2］。

相比于其他傳統的接觸性測量手段，三維激光掃描技術能有效、實時、準確地獲得目標物的空間數數據［3］，近年來已在土木工程建設領域應用。林益新［4］利用三維激光掃描技術開展了實地監測和滑坡模型監測，研究表明，在滑坡變形監測中，三維激光掃描技術具有較好的應用效果。王勛［5］詳細闡述三維激光掃描的基本原理與其應用方法，并使用NovaMS50三維激光掃描儀對橋面點云數據進行采集。結果表明，掃描儀所處理的數據結果與理論值比較接近。李勇兵等［6］利用三維激光掃描技術對隧道內全斷面數據進行收集，采用色譜分析法分析隧道的整體變形，研究形心位置變化，定量分析內部變形。研究表明，三維激光掃描在無須布點、設站靈活的條件下，能高效、全面地采集隧道內部數據，具有效率極高、數據精度高的優點。李偉等［7］針對一段破損路面采用三維激光掃描技術進行檢測，研究了激光掃描技術在道路平整度檢測應用的優缺點，分析發現該技術能有效用于道路平整度檢測。楊林［8］利用三維激光掃描技術研究出新的監測方法，將其應用于建筑工程實際施工變形監測中，通過開展模擬變形試驗，得到數據結果與實際工程所監測結果進行對比，發現三維激光掃描儀的數據精度仍無法滿足建筑工程監測規范要求，應結合傳統檢測工具和方法進行應用。然而，三維激光掃描在橋梁檢測中的應用較少，缺乏實際的應用經驗，分析三維激光掃描技術在橋梁檢測的應用對橋梁檢測向信息化發展具有重要作用。

因此，本文介紹了三維激光掃描技術的工作原理，闡述了三維激光掃描處理流程和三維激光掃描在橋梁檢測中可行性，通過開展室內簡支梁撓度三維掃描試驗，對比了三維激光掃描值和百分表實測結果，研究三維掃描技術在橋梁檢測中應用的可行性，為三維激光掃描技術在橋梁檢測中的合理應用提供理論依據和實踐指導。

1 三維激光掃描技術基本介紹

三維激光掃描通過利用激光測距的基本原理，對被測物體表面進行高密度采集，并獲得物體表面的三維坐標信息和反射信息，這些信息稱為點云數據。通過將這些信息以一定格式進行存儲，并利用軟件對點云數據進行讀取和處理，能準確復建出物體的三維模型等各種圖件。

1.1 三維激光掃描技術工作原理

三維激光掃描儀通過測距系統測量儀器到物體的距離，并利用儀器的測角系統獲得掃描儀至物體的水平角和垂直角，通過分析距離、水平角及垂直角等數據，計算出物體的三維坐標。同時，掃描儀利用自身的垂直和水平馬達轉動裝置對被測物體進行全方位掃描，連續地對一定取樣密度的空間進行掃描測量，以獲得被測物體密集的點云數據。

1.2 三維激光掃描數據處理流程

利用掃描儀獲取信息后，通過數據點云存儲信息，實現三維建模的建立。該過程需要經過一系列的處理操作，主要有數據獲取、數據處理和三維建模［9］。通過接觸式測量或非接觸式測量的方式獲取數據，壓縮、剔除多余信息，將多個測站中獲取的數據整合在一個坐標系中進行坐標糾正，在三維建模前進行數據過濾，將點云區域分為多個子區域，提取其表面特征和三維坐標，并通過建立三角網格達到三維建模的目的，流程如圖1所示。

1.3 三維激光掃描在橋梁檢測中的可行性分析

（1）三維激光掃描儀會因其生產廠家、型號等不同而具有不同的掃描速度、精度和測定范圍，對目標物體的測定精度可從厘米到毫米，目前精度最小的掃描儀可達到0.2 mm。

（2）三維激光掃描儀在對物體表面掃描建模過程中，目標物體表面點密度越高越有利于提高測定的精度。在橋梁撓度變形檢測中，橋梁光滑平整的表面利于提高表面的點密度，因此三維激光掃描儀對橋梁檢測的精度能得到保障。

（3）掃描儀與目標物體的距離過大會導致精度嚴重下降，距離過小會使測試基站增多。雖然掃描儀的掃描距離能達到300 m，但掃描距離＜100 m的精度最為精確。在橋梁工程中，當掃描儀與橋梁實體之間的距離＜100 m，有利于保障橋梁結構的掃描建模。

2 小型簡支梁撓度三維掃描試驗方法

2.1 試驗目的

為了研究三維激光掃描技術是否滿足橋梁撓度檢測精度要求，分析三維激光掃描技術在橋梁檢測中的合理性可行性，開展實驗室小型簡支梁撓度的三維激光掃描試驗，利用百分表實測加載前后簡支梁撓度變化值，對比評價百分表實測值與三維激光掃描值。

2.2 試驗儀器及步驟

2.2.1 試驗儀器

本次試驗采用簡支試驗梁，在試驗梁上加載后，通過百分表和三維激光掃描儀進行橋梁相應位置的變形測定。采用梁長300 cm、橫截面寬15 cm、梁高12 cm的鋼筋混凝土簡支梁，使用量程為50 mm的帶有磁性表盤百分表，通過水泥試塊對簡支梁進行加載。所采用的三維激光掃描儀型號為Z+F 5010C，激光波長為1.5 μm，測量距離為187 m，具有水平360°、垂直320°的視野范圍。

2.2.2 試驗準備

（1）利用三維激光掃描儀對目標物體結構掃描需要設定3個或3個以上的固定基站，通過對固定基站掃描獲得的點云數據進行拼接，因此在試驗開始前需在簡支梁附近設定3個固定參照點。

（2）為了保證最大撓度出現的位置為跨中，對簡支梁中心間長度進行測量，將該長度作為計算跨徑，利用標記筆在1/4跨徑、跨中和3/4跨徑處進行標記作為撓度測量點。

2.2.3 試驗步驟

（1）在簡支梁附近位置設定3個固定參照點。

（2）在簡支梁1/4跨徑、跨中和3/4跨徑處標記點的梁底部布置安放百分表和位移測力計，記錄初始讀數。

（3）選擇合適基站位置，安裝三維掃描儀，對簡支梁進行空載掃描。

（4）利用水泥試塊對簡支梁進行加載，通過三維激光掃描儀對加載后的簡支梁重復進行掃描，讀取百分表在該荷載下的數據，試驗結束。

3 數據處理流程與結果分析

3.1 數據處理流程

三維激光掃描儀通過采集加載前后簡支梁的圖像數據，利用圖像處理軟件和數據分析軟件對其進行分析處理，試驗數據處理流程如下：

（1）將采集完成的數據導出，利用laser control軟件建立項目和掃描文件，通過點擊參照點拼接多站數據，對拼接報告和圖片進行噪點去除。

（2）選擇拼接完成的點云數據，將簡支梁分離出，把簡支梁中的數據導入Geomagic軟件，利用點云數據裝成三角模型。

（3）通過對簡支梁的位移界限值進行調整，設定為0.1～2 mm變形范圍，得到各范圍位移的對比結果。對位移結果進行分析，形成分析報告。

3.2 結果分析

3.2.1 三維激光掃描結果

三維激光掃描儀對加載前后簡支梁的圖像進行采集，利用laser control軟件對掃描數據進行拾取、處理，將部分點云數據通過Geomagic軟件進行處理，得到簡支梁位移變形如下頁表1和圖2所示。

由表1和圖2可知，加載后簡支梁＜0.4 mm位移范圍的空間點個數占比60.58%，其中0.1～0.4 mm位移范圍的空間點個數占比31.02%；＞1.4 mm位移范圍的空間點個數占比最少，僅占比9.2%。在加載后簡支梁的撓度變形的大小集中在0.1～0.4 mm，＞1.4 mm的撓度變形較少。可知利用三維激光掃描技術能有效檢測簡支梁撓度變形，分析撓度大小范圍和占比。

3.2.2 掃描結果與實測結果對比

為了進一步研究三維激光掃描在橋梁撓度檢測的可行性，利用百分表對加載后簡支梁的位移值進行實測，將其與三維激光掃描的結果進行對比，如表2與圖3所示。

以1/4跨徑、跨中和3/4跨徑等目標點為研究對象，對比三維激光掃描儀測定數據與百分表檢測數據，由圖3可知，在1/4、1/2和3/4跨徑位置處的百分表實測位置值分別為1.96 mm、2.45 mm和1.37 mm，而三維掃描結果則分別為1.9 mm、2.4 mm和1.3 mm，兩者之間的誤差分別為3%、2%和5%，誤差均≤5%，滿足了橋梁檢測中的精度標準。

4 結語

本文對三維激光掃描技術在橋梁檢測中的應用進行了研究，在介紹了三維激光掃描儀的工作原理、數據處理流程、在橋梁檢測中的可行性基礎上，通過實驗室簡支梁撓度三維掃描試驗評價了三維激光掃描技術在橋梁檢測中的適用性，得到以下結論：

（1）三維激光掃描技術是利用激光測距的基本原理，對物體表面進行高密度采集，并利用軟件對采集到的信息進行讀取和處理，能準確復建出物體的三維模型等各種圖件的技術，具有效率極高、數據精度高的優點，將其應用于橋梁檢測具有可行性。

（2）三維激光掃描技術能有效檢測簡支梁撓度變形，分析撓度大小范圍和占比，與百分表實測值對比，誤差均≤5%，測試精度可達到橋梁檢測要求。

（3）三維激光掃描技術在使用中可解決因橋梁尺寸資料等缺失帶來的檢測不準確問題，是一種良好的無接觸式測量方法，可應用于橋梁檢測中，具有良好的應用效果。

參考文獻

［1］鄧曉隆.基于三維激光掃描的橋梁結構變形檢測及數據分析［D］.蘇州：蘇州科技大學，2018.

［2］盧 穎.基于三維激光掃描的橋梁檢測技術應用研究［D］.長春：吉林大學，2017.

［3］陳湘生，徐志豪，包小華，等.中國隧道建設面臨的若干挑戰與技術突破［J］.中國公路學報，2020，33（12）：1-14.

［4］林益新.三維激光掃描技術在滑坡變形監測中的應用［J］.經緯天地，2022（6）：19-21，26.

［5］王 勛.基于三維激光掃描的橋面變形檢測技術應用研究［D］.重慶：重慶交通大學，2015.

［6］李勇兵，高成明，馬盈盈，等.三維激光掃描技術在隧道變形監測及檢測中的應用［J］.科學技術與工程，2021，21（12）：5 111-5 117.

［7］李 偉，劉正坤.地面三維激光掃描技術用于道路平整度檢測研究［J］.北京測繪，2011（3）：24-27.

［8］楊 林.三維激光掃描技術在建筑工程施工變形監測中的應用研究［D］.天津：天津大學，2016.

［9］朱新宇.基于地面激光點云的三維建模關鍵技術研究［D］.青島：中國石油大學（華東），2015.

收稿日期：2022-10-22