激光扫描技术在桥墩垂直度监测中的应用

熊黄磊，王凯乐，何超

(重庆市勘测院，重庆 401121)

1 引 言

高桥墩垂直度变化的监测是桥梁健康监测的重要组成部分[1]。对于桥墩垂直度变化的监测，传统方法是采用全站仪光电设备进行单点极坐标测量完成数据采集，虽然高精度设备也可以保障监测结果满足规范要求，但都是“以点代面”的作业方式[2]。这种以测量个别特征点来表达观测对象整体变形情况的方法，存在一定的风险。一方面，在指定变形监测方案时选择的监测点未必具有代表性；另一方面，如果在监测周期内选取的监测点被破坏，重新选取监测点意味着前期的变形监测成果延续性中断，不利于做变形分析。除上述风险外，由于大桥下通常作业空间狭小、桥墩较高，观测时仰角较大，观测员采用全站仪对监测点进行直接测量时非常困难，难以获得准确数据。

三维激光扫描技术的出现，因其非接触式测量、自动采集、相对精度高等优点，在精确地获取桥墩表面高密度点云的基础上进行变形分析，较好地弥补了单点测绘的不足。目前激光扫描仪硬件发展非常快，扫描速度和测角测距精度也不断提高，扫描单点的精度已达到全站仪极坐标测量精度，相对精度甚至更高[3，4]。近年来，三维激光扫描技术在桥梁变形监测方面也取得了丰硕的成果，应用日渐广泛[5]。本文提出了基于高精度激光点云进行桥墩垂直度变化情况分析的方法，经实例验证，取得了较好的效果。

2 桥墩垂直度变化监测的传统方法

传统测量方式通常在桥墩某个观测面的顶部和底部各选择至少一个或多个监测点，在该观测面附近的设站，采用边角测量的方式分别观测桥墩顶部和底部的监测点，以桥墩底部的点为基准，对比桥墩顶部中心相对位移的变化，进而解算垂直度的变化情况。常用作业方式有固定点测量法和任意设站测量法。

2.1 固定点测量法

在首次观测时，采用升降机等设备在桥墩目标观测面的顶部正中位置和底部正中位置埋设固定点位标志，一般情况下是沿桥梁纵向和横向的桥墩侧面各埋设一对点，尽量拉长上下标识点的距离。另外，在桥梁纵向和横向上，距离桥墩一定距离(尽量大于2倍桥墩高度，以避免观测仰角过大)各设置固定观测点，同时根据通视情况布设一些永久性公共后视点。

观测时，采用具有漫反射功能的全站仪在测站点上设站，后视公共后视点，先后观测桥墩顶部和底部的标志点，通过测量的斜距、水平角、垂直角，计算上下两点的平面位置偏距，该偏距与上下点位间的间距之比，即为观测桥墩该方向垂直度测量值[6]。将不同期次的垂直度测量及解算值进行对比，可获取该桥墩垂直度变化情况，实现对桥墩垂直度变化的监测。

2.2 任意设站测量法

有些桥梁桥下地势陡峭、环境较差，或者桥墩过高，施工设备不易到达，在桥墩上设置固定监测点点位标志较为困难，可采用任意设站的方式进行测量。作业时，在方便观测的位置任意设站，后视公共点，观测桥墩顶部、底部的外切线角度，一般也是在桥梁纵向、横向都观测一个面。外业观测完毕后，计算纵横向观测墩顶、底中心的夹角，结合距离计算观测墩顶、底中心纵横向的偏移量，最后计算观测墩的倾斜位移量，即完成该桥墩的垂直度观测。该位移量与上下点位之间的间距之比，即为观测桥墩该方向垂直度测量值。将不同期次的垂直度测量及解算值进行对比，可获取该桥墩垂直度变化情况，实现对桥墩垂直度变化的监测。任意设站测量法作业灵活性更高，但是如果对解算成果有疑问，现场复核时工作量较大。

2.3 传统测量方法的不足

在实际作业过程中，上述两种测量方式具有明显不足，主要包括以下几个方面：

(1)作业效率低。距离测量和角度测量均需要进行多测回测量。

(2)相对精度低。高桥墩一般间距较小，在近距离进行垂直度测量时，仰角较大，角度测量困难，难以确保角度测量精度，因而计算结果的相对精度较低。

(3)点位标志难以保存。桥墩上的点位标志，尤其是桥墩下部的点位标志容易被堆积物或临时建(构)筑物遮挡，地面测站点标记也很难长久保存。

3 应用案例

三维激光扫描技术的出现，为桥墩垂直度提供了高精度快速测量方案[7]。目前的主流架站式三维激光扫描仪具有非常高的相对精度，以Foucuss350为例，测程范围为0.6m～350 m，测距标称精度为 ±1 mm，扫描视场角为360°(水平)×300°(垂直)，角度相对测量精度1"，角度测量自动补偿范围为±2°。根据《工程测量规范》(GB50026-2007)中对于变形观测的要求，特大型桥观测等级为二等，大型桥梁观测等级为三等，二、三等观测在基准网测量阶段测距方面分别要求采用 2 mm级仪器和 5 mm级仪器，测角方面中误差限制分别是1.8″和2.5″。新型高精度扫描仪的标称精度均满足二等观测要求，更加满足立交桥桥墩墩垂直度测量(按大型桥梁考虑，观测等级应选择三等)。

重庆作为典型的山地城市，因为其地形特点，在桥梁建设工程中经常出现超过 15 m的高桥墩。本文以苏家坝立交高桥墩垂直度变化监测为例进行对比实验(图1)，介绍利用三维激光扫描技术进行桥墩垂直度变化监测的主要步骤和应用效果。

图1 立交桥下桥墩概况(局部)

3.1 作业流程

(1)选取合理的测站点

测站点的布设是保证点云数据采集质量的关键，测站点选择合理，能够减少测站数量、提高点云拼接速度和精度，并尽可能多地获取桥墩特征数据。

(2)桥墩点云采集

对目标桥墩进行全方位点云数据采集，可以采用两种扫描方法[8～11]。

方法一：仪器架和标靶均架设在具有精确坐标的控制点上，所有控制点坐标成果在同一个坐标系之下。数据处理时，各站点云数据不需要选取特征点进行配准，在导入点云数据时，在点云处理软件中输入控制点坐标即可。采用这种方法作业，点云数据的精度取决于控制点精度，以及扫描作业时的人为如此和仪器误差综合影响。

方法二：标靶设在控制点上，三维激光扫描仪根据现场作业情况任意架站，但相邻两站至少扫描到1个共同标靶(尽可能多)，作业完成后在导入点云数据时，在点云处理软件选取靶心输入控制点坐标上，用后方交会法计算测站点坐标，同时将点云坐标也归算到统一的坐标系。

无论采用哪种方法，每期对每个监测对象均需要进行4次独立扫描，获取4个点云文件。

(3)点云数据的预处理

点云数据预处理较为关键，直接影响变形分析的结论。数据预处理主要目的有两个，一是对点云数据进行噪声去除、冗余点抽稀等处理，减少数据量，留取有用信息；二是对所扫描的点云数据进行拼接、渲染，并评估点云拼接精度。本文案例采用方法二进行数据采集，由于测量距离近、公共后视点和特征点比较多、点云重合度高，最终拼接效果较好，采用随设备配套的点云数处理软统计自动拼接精度为 0.9 mm，人工选取特征点后的拼接精度为 0.4 mm。

(4)变形监测数据变形分析

基于点云提取桥梁，以及对变形情况的分析，对于桥梁安全防护措施的实施起着至关重要的作用。与传统的单个变形监测点坐标成果相比，激光点云数据可以较完整地表达被监测对象，作为变形情况分析的基础数据更为可靠[12]。在本项目中，完成点云预处理后，针对精确拼接后的点云进行特征线提取，分别在顶部、中部和底部各截取一处，并进行三个位置的桥墩中心点拟合。将拟合出的桥墩中心点偏移量除以桥墩高度(此处指上下特征线位置之间的垂直距离)，即可获得该桥墩的垂直度，将各期测算出的垂直度进行对比，就获取了垂直度变化信息。桥墩特征线截取如图2所示。

图2 桥墩特征线截取

2018年～2019年，共进行4期测试，每年冬夏各1次。每期均对22个桥墩测量，限于篇幅，主桥两侧各一个桥墩列出垂直度统计情况，如表1所示：

部分桥墩垂直度计算成果统计 表1

3.2 应用效果

(1)作业效率

本实验共4次测量(每年冬夏各1次，测试2年)，每次均扫描22个桥墩，在1～3次观测中均采用高精度全站仪、三维激光扫描仪同时作业，第4次仅采用三维激光扫描方法。作业效率对比如表2所示。

三维激光扫描与极坐标测量作业效率对比 表2

在作业时间上，采用三维激光扫描缩短一半。而且扫描仅需1人作业，操作难度较小，采集数据更丰富，返工率低，总体来说比全站仪测量方式具有较明显的效率优势。

(2)精度分析

垂直度变化观测的主要方法是以地面桥墩位置为基准，比较桥墩顶部平面位移的变化情况，因此应参考桥梁或建筑水平位移观测的相关要求。本实验项目采用三维激光扫描方式每一轮观测均进行4次观测，将每次拟合的桥墩上下中心点坐标进行对比并统计中误差，统计结果如表3所示：

基于精细点云数据拟合桥墩中心的精度统计 表3

在《工程测量规范》(GB50026-2007)中，对观测等级为三等的水平位移观测点位中误差限差要求为 6.0 mm，二等要求为 3.0 mm。可见，采用精细三维激光扫描方法进行垂直度变化量的观测精度满足本项目要求，在观测条件容许的情况下，也满足二等变形观测要求。

4 结 语

无论采用何种方法进行垂直度测量，限于桥墩的施工工艺、现场情况等条件，都不可能得到精确的结果。实际工程中，在桥墩上选择固定的观测截面、每期对相同位置进行观测，再对比垂直度的变化情况更有参考意义。本文结合桥墩垂直度测量技术的发展现状，介绍了采用三维激光扫描技术进行桥墩垂直度测量及垂直度变化量分析的方法和步骤，从效率和精度两个方面的对比，描述了三维激光扫描技术的优势。通过理论分析和实例验证，在较差的作业环境下，采用三维激光扫描技术具有作业效率高、数据可靠性强、数据量丰富等特点，可以在各类桥梁的桥墩垂直度测量、特别是垂直度变化分析的项目中广泛使用。