基于三维激光扫描的构件变形检测及数据处理

秦世伟, 赵 玮, 武亚军, 陈 俊

(上海大学土木工程系, 上海 200444)

为保证桥梁的安全使用, 须定期对其进行变形检测,获取荷载状态下桥梁的变形信息[1-2]．目前桥梁变形检测多使用全站仪进行“以点代面”的测量,即通过部分目标控制点的坐标变化获得桥梁的水平和垂直位移数据[3-4], 此类传统单点测量方法具有局限性且效率较低[5]．三维激光扫描技术具有速度快、范围广、精度高等特点,结合了全站仪和摄影测量的优点, 弥补了传统测量手段的不足[6], 能直观可靠地实现目标的三维重构．Park等[7]利用三维激光扫描技术对钢梁进行位移变形监测,通过点云数据获得位移变形;黄承亮等[8]对桥梁进行三维激光扫描, 通过Geomagic软件对桥梁进行变形分析和稳定性判断; 邓晓隆等[9]对拱桥模型进行加载试验,利用MATLAB分析点云数据得到模型的变形值．目前相关研究重点集中在三维激光扫描技术在构件变形检测中的可行性,但对测量结果的工程测量精度鲜有讨论．本文对构件变形检测结果进行探讨, 通过有限元软件MIDAS Civil建立模型, 计算相同工况下试验钢梁的变形值, 将三维激光扫描结果与百分表位移计测量结果对比，进行精度评价,验证激光扫描技术在桥梁检测中的有效性．

1 简支梁扫描试验

1.1 加载试验

试验主要仪器为徕卡P40型激光扫描仪(测角精度8″, 测距精度1.2 mm+10 ppm)、索力机械JRC-215型单作用千斤顶、三量322-185型百分表、上海实干SN-NL型压力传感器, 在试验简支钢梁跨中分别施加10, 20 kN的集中力, 对比点云数据建模变形分析的位移量与百分表测量值, 试验流程如图1所示．

1.2 标靶布置和数据获取

图2为试验标靶及设备布置图．试验工字钢梁有效长度为1.1 m, 钢梁两端45°角位置处设置2个测站,设置激光扫描仪的垂直分辨率为0.001 m, 水平分辨率为0.002 m．标靶布置完成后开始获取钢梁的点云数据, 记录百分表初始读数,然后对钢梁施加预定荷载后记录百分表读数,再次获取标靶位置后扫描获取钢梁点云数据,每站扫描后,检查点云是否完整无遮挡,最后迁站并重复上述步骤获取其余点云数据, 测量完成后使用USB闪存盘进行点云数据的传输用于内业处理．

1.3 点云数据处理

运用徕卡扫描仪配套的Cyclone软件和Geomagic Qualify软件对点云进行拼接、裁剪、去噪和封装等操作,并进行位移变形对比分析．

1) 拼接裁剪．在Cyclone软件中查看点云数据的完整性,选择基于标靶自动拼接,该软件基于迭代邻近算法[12]进行拼接,并生成拼接误差报告．点云拼接完成后,将试验梁以外的点云数据在软件中裁剪,以保证软件处理速度．

3) 三角网格化．完成点云的拼接裁剪后, 用Qualify软件处理点云数据, 主要分为点阶段和三角网格阶段[14]．在点阶段过程中,首先对点云着色、去除孤点．部分点云数据的点之间没有明显拓扑关系,须进行三角网格优化处理．通过“封装”命令将点云数据构建成Delaunay三角网格模型,并对一些孔洞缝隙进行填充和搭桥等方式的“修补”,删除模型中的钉状物,通过“网格医生”命令自动检测并纠正错误的多边形网格,得到表面质量优化的多边形模型．

2 变形分析

2.1 试验结果

首先将目标模型对齐在同一坐标系下, 通过软件对受力测试模型和参考模型(未加载的模型)进行变形分析,设位移阈值为5 mm, 位移偏差色谱图见3．由图3可知,试验简支梁位移变形主要在-2.6 ～ 1.4 mm之间, 受压向下的位移变形值在跨中位置处最大,并向两端逐渐减小．由于支座的反向作用力,简支梁两端有反向的位移变形,但对模型跨中位移变形分析的影响可以忽略．受力10 kN时, 百分表位移计与激光扫描测得的位移变形值分别为1.540, 1.602 mm, 误差为4%; 受力20 kN时, 百分表位移计与激光扫描测得的位移变形值分别为2.467, 2.516 mm, 相对误差为2%．均满足桥梁挠度检测中的误差要求．

2.2 有限元分析

将试验钢梁实际弹性模量E0、试验梁类型和截面尺寸输入MIDAS软件中, 随后建立节点单元模型, 为便于计算将简支梁分成8个单元由9个节点连接,每个独立单元长度为0.137 5 m．参照实际工况对简支梁进行模拟试验,对跨中节点施加竖向荷载20 kN, 运行结构分析获得有限元模拟运算结果,有限元输出的位移结果见图4．由图4可知, 有限元模型跨中位移变形为2.625 mm, 与激光扫描测量值仅相差0.109 mm,各个关键点处的变化趋势也基本相同, 验证了三维激光扫描变形检测的精确性．

3 结语

相比于传统测量手段,基于激光点云数据的位移变形检测速度快、精度高,三维激光扫描技术检测的试验简支梁位移变形与百分表测量值、有限元模拟值的误差都在5%以内, 符合一般桥梁检测的标准．三维激光扫描技术还可用于桥梁建模,实现桥梁的变形检测和弹性模量测量．

由于试验材料和加载条件的限制,故本试验简支梁存在变形不明显的问题．后续还可以完善点云精度评价标准以更好地指导点云处理,促进激光扫描检测技术的广泛运用．