三维激光扫描仪与探地雷达在古桥探测中的应用

张 旭

（天津市地籍管理中心，天津 300042）

随着时代发展，运输业的发达导致大型货车增加，如今的古桥面临着比过去更大的环境压力，有更多潜在的危险因素会破坏桥体结构的稳定性。因此，这些桥梁要定期监测，防止桥体结构的恶化和交通事故发生。很多古桥属于历史文化遗产，不能随意的拆迁和重建，所以，对此类古桥进行评估检测对促进古桥的保护和恢复有着十分重要的意义。三维激光扫描仪与探地雷达可以分别获取桥体外部和内部信息，激光扫描仪可以对目标体进行扫描生成带有坐标信息的激光点云，可以对桥体的外形及结构进行有效的建模及分析。探地雷达是一种可以穿透目标体进而探测生成桥体内部的雷达图像的探测设备，可提供桥体内部非常有价值的信息。因此，在桥梁的检测和评估方面，激光扫描仪与探地雷达结合应用可以对桥梁的检测与保护发挥很大的作用。本文依据三维激光扫描仪和探地雷达各自的技术特点，对古桥探测的过程中两种技术结合应用进行了研究和探索。

1 数据采集和处理

1.1 激光数据采集与处理

本试验中采用的激光为FARO FOCUS3D激光扫描仪。这款激光扫描仪的测及范围为0.6～120米，扫描频率为976000点/秒，扫描精度为2毫米。为获取整个桥体侧立面的数据，采集3站数据，每站之间放置目标靶球作为激光点云后期拼接的参照。靶球放置的原则是每两个扫描站点之间至少要共视3个或以上成三角形状的球状靶标。

1.2 探地雷达数据采集与处理

探地雷达的数据采集是采用瑞典的MALA系列探地雷达。分别采用250兆赫和500兆赫的屏蔽天线对桥体进行探测。采用不同频率的天线是因为要探测合适的深度的同时还要保证一定的精度，所以，采用不同的天线来寻找最合适的天线频率。将获取的数据进行编辑、滤波等处理。使用的软件为ReflexW v5.0，处理目的是减少原始数据中的杂波和噪音等不必要的信息，放大需要分析的信息，使得雷达图像的解译和分析更加容易。

2 数据结果处理与分析

2.1 探地雷达数据分析及几何信息验证

结合实地考察，看到桥洞下面长满了藤类植物及苔藓，这种规则的强反射平行波可能是含水量增大的表现，部分原因可能是裂缝被植物根部侵袭，最大可能是桥体内部存在积水。这两种因素共同造成了探地雷达图像中介质含水量增加的情况。由于天线频率越高，探测的精度越高，但同时信号干扰也越强，杂波越明显。所以，虽然500兆赫的波形在图像中显示的信号反射更明显，但是桥洞顶端边界的图像受到的干扰也比较多，显得不易精确辨认。由于250兆赫的桥拱抛物线波形边界更为清晰锐利，所以选择250兆赫的图像中左起第一、第二两个桥拱的图像作为探地雷达实测几何信息的验证。

2.2 桥体平均介电常数的推算

本实验中由于激光点云数据可提供桥体的精确测量信息，所以，采用已知目标深度推算介电常数的方法非常合适。如果目标厚度（或深度）为h，发射天线(T)和接收天线(R)的间距为x，当探地雷达在目标(O)正上方（O'）时，探地雷达会记录电磁波往返的总时间t，对于大多数非导体介质，有：其中v为电磁波的波速，c为光速300毫米/纳秒，从而有：

背对于接收和发射一体化的天线（由其是高频天线），其收发距离相对于目标深度很小，所以上式可以简化为：其中v为电磁波的波速，c为光速300毫米/纳秒。从而有：得出桥体的相对介电常数为7.17。实测桥体介电常数接近花岗岩平均介电常数的上限，此数值范围合理，方法简洁，效果明显。

3 结论

本实验利用三维激光扫描仪与探地雷达对石拱桥的探测做了初步的研究和探索，验证了探地雷达与激光扫描仪结合评估与检测古桥的可行性和有效性。这些信息均可作为从事桥梁维护与保养的土木工程师作为参考。