地面三维激光扫描仪在桥梁变形监测中的应用(中海达)

地面三维激光扫描仪在桥梁变形监 测中的应用 概述 大型桥梁自20世纪90年代初期以来在我国大量发展。这种桥梁的结构特点是跨度大、塔柱高,主跨段具有柔性特性。在这类桥梁的施工测量中,人们已针对动态施工测量作了一些研究并取得了一些经验。在竣工通车运营期间,如何针对它们的柔性结构与动态特性进行监测也是人们十分关心的另一问题。要真正达到桥梁安全监测之目的,了解桥梁的变化情况,还必须及时测定它们几何量的变化及大小。 传统的检测方法是通过连续和定期的单点观测，对多期观测数据进行对比，完成对工程安全性的确定，通过对离散点位移变化分析，做出安全评价，其结论可能存在较多的片面性和不确定性。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。它成功的解决了传统方法的数据采集量少、数据不全面等问题，它可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并可以直接将各种大型、复杂、不规则的实体或实景完整的采集到电脑中。从而基于这些点云进行多种后处理工作，如测绘、计量、分析、模拟、监测、虚拟现实等。如何针对大型桥梁的梁体、塔柱、墩身、锚体等重要部分进行监测和检测工作，在桥梁检测方面具有重大的意义。 维激光扫描技术在桥梁变形监测中应用的基本思路 采用激光扫描技术对隧道收敛变形测量的关键是数据处理，因此本文侧重对数据处理研究介绍。 整个过程以如下进行： 表一  技术流程 数据采集 1. 本次扫描使用Z+F IMAGER  5006h，测程79米，如图。 图1  Z+F IMAGER  5006h 主要指标： 单点测量精度： 10m 处的误差范围(均方根误差) 反射率 10%时（黑色） 1.2毫米 反射率 20%时（暗灰） 0.7毫米 反射率 100%时（白色） 0.4毫米       Z+F IMAGER  5006h激光扫描系统扫描模式主要指标： 角分辨率 扫描时间 预览分辨率 25 秒 中分辨率 1 分 40 秒 高分辨率 3 分 22 秒 更高分辨率 6 分 44 秒 超高分辨率 26 分 44 秒     标靶球获取精度：2mm 2. 扫描采用的参数：高分辨率模式。试验扫描采用激光头等角度匀速扫描，距离越大点密度越稀。 3. 测站数及间距：激光扫描共设11个测站，每站间距大约在30米至40米，平均每站施测时间小于5分钟。 4. 点云坐标数据纠正方式：每测站获得激光扫描点云数据后，其点云坐标归算到统一的城市坐标系统。隧道内采用控制点测标靶坐标，激光扫描时同步扫描标靶，然后以点云数据中标靶坐标归算传递。 5. 数据量：总数据量超过3GB。 6. 设计扫描，根据激光扫描仪性能参数及现场环境设计扫描站间距、扫描点密度，保证具有一定的扫描重叠度。 7. 安放标靶，每两站之间至少有三个公共标靶可见，用于数据后处理时两站之间的拼接。 8. 扫描点云数据时首先用全站仪测量监测点和标靶中心的坐标值使用三个或者三个以上的特征点将三维扫描数据转化为当地坐标，把点云数据统一在同一个坐标系下有利于数据比较。同步进行隧道三维激光扫描。 数据预处理 标靶三维坐标获取:点云数据导入Z+F后处理软件LaserControl,选取公共标靶进行拼接。 点云数据三维坐标配准：根据标靶三维坐标将点云数据归算到统一的三维坐标系统，如图所示，导入标靶和扫描仪设站点的坐标数据文件。 图2  点云数据三维坐标归算 剔除噪音数据：根据桥梁设计数据（如圆隧道的直径及轴线空间位置），剔除管壁外的噪音数据。 点云数据的统一采样：初始点云数据量较大，点云疏密不均匀，并不利于后续的分析工作，点云的统一采样将点云进行抽吸，在保证点云所表达的特征的前提下，减小数据量，便于分析与操作，如图所示。 图3  预处理后得到的点云 桥梁变形分析 三维激光扫描仪数据与处理完成后，桥梁的变形分析、变形提取工作是变形监测的核心。三维激光扫描的数据是全面整体的数据，表面模型的精度相对于传统的单点测量的精度有显著的提高。在桥梁构筑结构简单，特征线明显的部位，通过曲面拟合的方法将桥梁结构表面扫描的点云进行建模分析，可以反映出桥梁下沉、倾斜、表面损坏等情况。 基于拟合曲面的桥梁变形分析 平面、二次曲面拟合能够很好的反映出构筑物表面的情况。桥梁在运营一段时间后，会发生不均匀沉降，通过分析桥梁顺桥向和横桥向重要部位的平面夹角的变化可以有效地反应桥梁沉降。球形、圆柱形等结构规则的二次曲面，不同周期的数据拟合中误差同样可以说明其表面的变化情况。以桥墩的变形为例，主要步骤如下： （1）扫描点云数据中提取待分析部位，依据特征线进行点云分割。 （2）通过曲面拟合算法，求出桥墩的数学模型，并计算相关参数。 （3）统计两次数据并分别计算差值。 （4）比较不同时期扫描相同曲面的拟合残差、平面法向量夹角以及圆柱直径等参数的变化令，分析桥梁变形。 桥段变形分析： 本例扫描桥梁墩身为的圆柱体，选取桥梁某位置的六个桥墩进行分析，下表为变形计算结果： 位置 序号 第一期 第二期 两期差值 拟合残差（mm) 圆柱直径（m) 拟合残差（mm) 圆柱直径（m) 残差差值（mm) 直径差值（mm） 墩身左幅 1 7.95 1.3081 8.37 1.306 -0.42 2.1 2 6.79 1.3149 6.94 1.3165 -0.15 -1.6 3 8.55 1.3113 8.99 1.3105 -0.44 0.8 墩身右幅 4 8.15 1.3132 8.47 1.3153 -0.32 -2.1 5 8.72 1.3145 8.92 1.3139 -0.2 0.6 6 8.76 1.3156 9.18 1.3149 -0.42 0.7                 从两期计算结果中可以看出，桥梁墩两期的拟合残差之差在1mm以内，直径之差在2mm以内，在测量误差允许范围内可以认为桥梁墩没有发生相对形态扭曲、破损现象。 结语 地面三维激光扫描技术正被越来越多地应用于各个领域，本文通过对案例大桥的变形监测，对三维激光扫描技术应用大桥变形监测领域提出了合理的，并通过对观测数据的拟合分析，传统变形监测方法的分析结果相一致。地面三维激光扫描技术作为一项全新的测量技术，具有良好的应用前景和可行性，是目前的发展趋势。 继续阅读