基于三維激光掃描技術的跨座式單軌橋梁撓度變形監測方法研究

云寶真 李寒冰 馬永征 韓夢玥

摘要 跨座式單軌是城市軌道交通的一種典型制式，其軌道梁撓度是橋梁變形情況和安全性評價的一項重要指標。針對傳統監測方法在跨座式單軌高架橋梁監測中難度大且僅能獲取有限離散監測點變形信息的問題，文章在某市跨座式單軌中利用三維激光進行軌道梁撓度監測，結果表明該方法與全站儀監測結果對比平均誤差為0.16 mm，能夠高精度、高效率地得到軌道梁的幾何信息，在跨座式單軌橋梁結構監測中具有良好的適用性，對于三維激光掃描技術在變形監測領域中的深度推廣應用具有重要的借鑒意義。

關鍵詞 跨座式單軌；橋梁撓度監測；三維激光掃描；點云

中圖分類號 U446文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0001-04

收稿日期：2023-12-06

作者簡介：云寶真（1979—），男，大專，工程師，研究方向：軌道交通運營維保。

通信作者：李寒冰（1980—），男，本科，高級工程師，從事交通工程測繪信息化發展等方面的研究工作。

0 引言

城市軌道交通已經成為我國城市公共交通的主干線，跨座式單軌作為軌道交通的一種制式，在不斷完善的基礎上已得到長足的發展。國內已建成或在建的單軌城市有重慶、銀川、柳州、蕪湖等地。軌道梁撓度監測是跨座式單軌在運營期結構監測的一項重要內容，傳統的監測方法主要采用水準儀、全站儀、檢測尺等常規設備。由于監測常常只能在軌道停運的夜間進行，并且線路較長、監測任務量大，導致監測的速度和精度受影響。軌道梁一般架設在離地10 m以上的地方，兩側存在供電接觸網，導致常規監測方法在全面性、人員安全性等方面也存在不足。隨著科學技術的快速發展，GNSS技術、測量機器人、激光干涉法、撓度儀等方法被應用于橋梁撓度監測中[1]。GNSS技術自動化程度高，但是需要在每跨軌道梁布置相應監測設備，成本昂貴。測量機器人可快速自動化監測，但監測周期較長。激光干涉法和撓度儀無法實時同步監測[1]。

三維激光掃描技術可以采用高效快速、非接觸的形式獲取結構對象的高精度三維坐標，克服了傳統測量技術局限性，能大幅節約時間與成本，目前在城市軌道交通設施結構的測量與監測中有較多應用。趙立都等[1]提出了一種基于點云數據的橋梁撓度變形分析方法。萬冠軍等[2]利用三維激光掃描技術對南寧地鐵1號線某區間隧道斷面進行測量，驗證了三維激光掃描技術在地鐵隧道斷面測量中應用的可行性和可靠性。劉云峰等[3]設計并提出了一種基于移動三維激光掃描技術的高效地鐵限界測量分析方案。趙麗鳳等[4]將移動三維激光測量技術應用于地鐵隧道結構監測，研發了一套高效快速獲取地下空間結構三維幾何特征的方法。

綜上所述，三維激光掃描技術目前在軌道交通領域多用于隧道內結構變形監測，在橋梁撓度監測中應用研究尚不多見。鑒于此，該文結合某市跨座式單軌結構特點和監測需求，利用地面三維激光掃描進行軌道梁撓度監測，通過對全線軌道點云數據的采集、處理與分析，快速得到軌道梁的幾何信息。

1 三維激光掃描監測

1.1 監測對象

該文以某市跨座式單軌為監測對象，該線軌道梁撓度監測工作量大，若大范圍布設自動化監測點成本昂貴，且傳統人工監測方法在高架軌道梁撓度監測中受限。因此，對于該條線路采用三維激光掃描的方法進行撓度的監測，快速獲取高精度、高密度的軌道梁三維點云數據，節省人力物力，提高工作效率。

1.2 點云數據獲取

1.2.1 掃描設備

在該次監測中采用的是由美國FARO Technologies Inc．公司生產的 FARO Focus S 350三維激光掃描裝置。FARO Focus S 350擁有較小的尺寸、超輕的重量和更遠的掃描距離，專門設計用于戶外應用，該掃描儀可以通過距離、雙軸補償和角度測量獲取更高精度的掃描數據，具體參數如表1所示。

1.2.2 掃描數據采集

對于測量而言，橋梁靜態荷載是一個動態過程，不能采用多站拼接的方式測量整個橋體，只能每站單獨測量。同時，需在天氣狀況良好的情況下，采用FARO地面三維激光掃描儀對軌道梁進行掃描測量，儀器架設在軌道梁側下方中部，視線與梁底面夾角宜大于45 °，設置儀器參數分辨率1/5、質量3倍，分別對每跨軌道梁單獨掃描采集數據，每份掃描數據和橋梁段號一一對應，掃描現場如圖1所示。

為了方便后續軌道梁撓度的計算以及變形表達，軌道梁坐標系設置如圖2所示，以橋墩與橋面交點為坐標原點O、以橋軸線為X軸方向、以天頂方向作為Z軸方向、Y軸由右手法則確定。掃描時人工獲取特征點，并將掃描儀坐標系轉換到軌道梁坐標系中。

2 點云數據處理和分析

2.1 點云數據處理

掃描獲取的點云數據，該文采用FARO SCENE 后處理軟件進行處理分析。三維激光掃描技術采集的點云數據量巨大，由于測量過程中車輛行人往來、樹木草叢遮擋以及儀器震蕩，掃描獲得的點云數據存在大量噪聲點，掃描獲取的某軌道區間的原始點云數據如圖3所示，原始點云數據中包含了掃描范圍內的所有地物。

在預處理階段需要對點云數據進行濾波和刪減，降低原始數據中的噪聲干擾，方便后續進行有效的曲面重建以及量化分析，經過預處理后，有效提取的軌道梁點云數據如圖4所示。

2.2 變形量提取

每跨軌道梁作為一個整體，其撓度的變化可以根據梁底面具體數據求得。該文選取軌道梁底面的掃描點云數據，通過計算各梁在不同時刻的坐標變化來確定撓度。

為了得到軌道梁撓度，需要計算每跨軌道梁在垂直方向的形變。該文根據軌道梁結構特征和點云特征，采用基于RANSAC算法與最小二乘擬合的撓度計算方法[5]。如圖5所示，為某一跨軌道梁底部點云數據。

軌道梁的掃描點云是一個窄帶狀條紋，為了消除其中的雜點，需要將其擬合成為一條空間直線。該文利用RANSAC算法過濾掉雜點，再通過最小二乘的方法將處理后的每跨軌道梁掃描數據都擬合成一條空間直線方程[5]：

式中，m、n、p——空間直線的方向分量；x0、y0、z0——空間直線經過的某一點，一般是參與擬合點的重心。

為了獲得橋軸線的撓度，先確定一個經過橋軸線且垂直于橋面的平面（如圖6所示），該平面與擬合得到的軌道梁底部空間直線的交點，即為橋面撓度的變化點，該平面與擬合直線的交點的z軸坐標即為底面的高程。

若已知平面為Y＝ym，則代入式（1）可以得到擬合直線與該平面的交點坐標[5]：

如圖7所示，為RANAC算法和最小二乘方法擬合得到的空間直線點云與垂直面的交點。

連接所有交點即可得出橋梁撓度曲線，在此基礎上通過兩期軌道梁三維激光掃描數據即可求出該段軌道梁撓度變形值。如圖8所示，為連接交點得到的某一跨軌道梁撓度曲線。

2.3 軌道梁撓度變形分析

某一期三維激光掃描得到的橋梁底面撓度變形曲線如圖9所示。

圖9中撓度監測時間為2022年12月。為了監測橋梁撓度的變化，將兩期三維激光掃描監測數據進行對比，兩期點云數據軌道梁底面撓度曲線如圖10所示。

三個月內，軌道梁撓度變形量如圖11所示。

由圖11可知，兩次監測時間內該軌道梁撓度變形量不大，最大值發生在軌道梁跨中，為?0.58 mm，最小值為?0.001 mm。

利用全站儀測量得到的同一區間中的6跨軌道梁左線撓度變形值與三維激光掃描得到的撓度變形值對比結果如表2所示。

由表2可知，兩種方法得到的撓度變形值最大誤差為0.28 mm，最小誤差為0.03 mm，平均誤差為0.16 mm。可見三維激光掃描技術在軌道梁撓度變形監測中具有一定可靠性。

相比全站儀、水準儀等傳統式測量方法，三維激光掃描技術不再是單點式接觸式測量，可快速獲取軌道梁海量監測數據，大幅提升軌道梁撓度監測效率，并且充足的監測數據可以為橋梁的安全狀態分析提供科學依據。

3 結語

該文在跨座式單軌中利用了三維激光掃描技術進行軌道梁撓度監測，該方法監測結果與全站儀測量結果平均誤差為0.16 mm，三維激光掃描技術在滿足監測精度要求情況下，能夠提高監測效率、增強安全保障，符合我國日益增加的軌道交通設施結構監測需求。

三維激光掃描技術可以在不接觸目標地物的條件下，直接采集物體表面的三維數據，該技術在隧道收斂監測、界限檢測、裂縫滲水病害檢測、建筑物外立面測量等場景中同樣具有很好的適用性。

參考文獻

[1]趙立都， 向中富， 周銀， 等. 利用地面三維激光掃描進行橋梁撓度變形分析[J]. 測繪通報， 2022（5）： 95-100.

[2]萬冠軍， 馬全明， 丁林磊. 三維激光掃描技術在地鐵隧道斷面測量中的應用[J]. 都市快軌交通， 2017（4）： 60-64.

[3]劉云峰， 董燕， 柳志云. 基于移動三維激光掃描儀的地鐵限界測量分析[J]. 軟件， 2019（2）： 116-120.

[4]趙麗鳳， 唐超， 侯海倩. 軌道交通隧道全斷面病害智能診斷與服役狀態評價[J]. 測繪通報， 2020（9）： 1-6+17.

[5]徐進軍， 郭鑫偉， 廖驊， 等. 基于地面三維激光掃描的橋梁撓度變形測量[J]. 大地測量與地球動力學， 2017（6）： 609-613.