三维激光扫描技术在古桥评估中的应用

宋晓杰，刘其军，龚海涵 ，朱利明，周德梁

（1.南京工程咨询中心有限公司，江苏 南京 210031；2.南京扬子江新城发展有限公司，江苏 南京 211899 3.南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 210009）

1 引言

近年来，随着信息技术的迅速发展，数字化技术在古建筑保护领域得到了广泛应用[1～3]。三维激光扫描技术是近年发展起来的一项新技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一项技术革新，众多学者都针对三维激光扫描技术在古建筑测绘与保护领域的应用进行了研究。

周俊召[4]等将地面三维激光扫描技术应用于石窟石刻文物保护测绘领域，并便利地得到了新的测绘成果。蔡广杰[5]使用三维激光扫描仪完成了大昭寺的数字化扫描，初步探索了三维数字化技术在文物保护中的工程化应用。Allen[6]等利用扫描仪进行了圣皮埃尔大教堂的三维重建。马宏毓[7]等提出将BIM技术与三维激光扫描技术相结合，创建了属性信息丰富的古建筑三维模型。本文以无锡大公桥为研究对象，通过对其进行三维扫描，获取点云数据，生成大公桥点云模型，并结合MIDAS建立有限元模型，对其现状进行综合分析与评估，为大公桥的后期修缮和保护提供数据支持。

2 三维激光扫描技术原理与特点

三维激光扫描技术突破了单点测量的限制，通过向目标表面发射连续激光束就可快速获取点云数据。结合配套设备采集到的色彩和纹理信息，再利用相关软件就可以高分辨率、大面积地复建扫描对象的三维空间模型[8]。三维激光扫描不与目标物体之间接触，受环境因素限制小且测量速度快，精度高。

测量时三维激光扫描仪建立以仪器为中心的系统坐标系，X轴位于横向扫描面内，Y轴在面内与X轴垂直，Z轴垂直于横向扫描面，三维激光扫描技术测量原理如图1所示，则可以用式（1）来表示监测点在扫描坐标系中的坐标。

图1 三维激光扫描技术测量原理图

式中：α为扫描仪测量到的水平角，β为扫描仪测量到的竖直角，S为坐标原点到监测点的距离。

3 三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用实例

本文三维激光扫描技术的应用对象为无锡清名桥历史街区大公桥。大公桥位于南长街古运河上，建于民国19年。大公桥结构完整，保存较好，是南长街和古运河历史发展的重要实物见证，承载着当地文化风俗与人情，作为“千桥会”建成的第一座桥梁，代表着“千桥会”所建桥梁的技术和艺术特点。大公桥为超静定连续刚构桥，兼有拱桥特点，结构受力非常巧妙。大公桥现状如图2所示，2002年大公桥被评为江苏省文物保护单位。

图2 大公桥现状照片

4 三维激光扫描工作流程

本次应用三维激光扫描技术的作业流程见图3所示。

图3 三维激光扫描工作流程

4.1 点云数据获取

4.1.1 数据采集

三维激光扫描仪的数据采集，具有光的遮挡性。因此，为了获得扫描对象完整的点云数据，扫描需要从多个角度及方向进行。使用地面扫描仪进行数据采集前，必须进行实地勘察，检查扫描场地的通视情况和目标物的结构特征，确定最佳的扫描路线、扫描仪和标靶球的摆放位置，以及所需的扫描站数等，使得扫描工作全面高效。本次扫描测站点位布置图见图4所示。

图4 测站布置示意图

4.1.2 三维激光扫描仪

在三维激光扫描工作中使用不同的扫描仪会得到精度不同的结果，因此需要根据实际的工作需要选择合适的扫描仪器[9]。本次扫描主要用到的仪器为法如Focus3D X330三维激光扫描仪，其具有体积小、重量轻、换站速度快等优点，比较适合换站频繁与站点布置较密的扫描工作，其主要性能参数见表1所示。

三维扫描仪性能参数 表1

4.2 点云数据处理

4.2.1 点云拼接

通过三维激光扫描工作获得的各个位点的点云数据仅显示其站点扫描范围内的信息。想要获得扫描对象的完整信息需要拼接多个站点的数据[10]。几种拼接方法中，基于标靶球的拼接比较常用，配准精度也比较高。本次扫描利用标靶球作为公共特征点，数据处理时识别标靶球点云，求解参数，进行点云拼接。后期处理时，对两测站点云中的标靶球进行标定，以拟合标靶球中心点计算参数，进行点云配准。

4.2.2 点云去噪

在扫描操作过程中，由于周围环境、仪器本身和操作者的影响，点云数据中不可避免地会产生噪点。所谓噪点，就是扫描到不属于扫描对象的错误点。噪点的存在会对点云的整体质量造成影响，并干扰后续点云模型的建立，因此需要对点云数据进行去噪处理，否则就会影响模型的处理速度和精度[11]。处理噪点采用的方法通常包括：调整扫描的角度，改变仪器的扫描参数，以及利用滤波的方法等。同时还可以改变扫描对象和与仪器之间的距离以增强反射率。图5是部分站点明显噪声被删除后的情况。

图5 初步去噪后点云数据图

4.3 点云模型构建

通过对扫描获得的点云数据进行拼接与去噪及其他相关处理后，即可进行点云模型的构建，真实地反映物体的立体形状。三维激光扫描技术所获得的古建筑三维模型可应用于古建筑的修缮与保护、二维图纸的输出、研究与展示等方面，根据最终需求与应用领域的不同，可采用不同的建模方法，使得原始的数据信息得到充分利用。本次扫描生成的点云立体模型见图6所示。

图6 点云模型图

5 有限元分析

5.1 特征信息获取

为了获得大公桥现状的精确尺寸与相关特征信息，在前述对点云数据的轻量化工作的基础上，依据已建好的三维模型，利用PolyWorks软件准确选取大公桥的特征点，描绘特征线，进行高精度二维图纸的输出绘制。描绘完后的二维图纸能够以(*.dxf)的格式导出，在AuTo-CAD软件中打开。从三维模型中描绘出的二维图纸带有其原有的三维坐标，因此不但可以在AuToCAD中体现大公桥的二维形状，还可以在三维视图中直接量测和标注所需要的信息，可为后续有限元模型的建立与大公桥的评估保护工作提供重要的数据支撑。依据点云数据与模型绘制的大公桥立面图见图7所示。

图7 大公桥立面图（单位：cm）

5.2 有限元模型建立

根据三维点云数据与模型获得的精确尺寸与相关特征信息，并结合已有相关资料，采用MIDAS CIVIL2019建立无锡大公桥有限元模型，进行结构现有检算与评估。该桥为钢筋混凝土结构，参考相关规范及文献，取混凝土强度等级为 C15，弹性模量 Ec=2.2×104MPa；出于安全考虑，钢筋采用R235，弹性模量Es=2.1×105MPa。恒载包括梁体自重、桥面铺装、护栏。人群荷载按照《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69-95）中规定取值。桥台后土压力按土层参数、桥台宽度和高度考虑。墩梁采用弹性约束中的刚性连接，主墩底部完全固结。有限元模型示意图见图8所示，构件编号见图9所示。

图8 大公桥有限元模型示意图

图9 构件编号图

5.3 结构自振频率计算

在大公桥的三跨跨中分别布置振动测点，使用动态信号测试系统和拾振器对大公桥结构自振频率进行测试，实测得到大公桥竖向自振频率为13.3Hz，由模型计算所得的自振频率为13.1Hz，可知结构一阶竖弯振型的计算自振频率与实测自振频率接近。参照《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69-1995）中的相关规定，天桥上部结构的竖向自振频率应不小于3Hz。由此可知，大公桥自振频率满足规范要求。

5.4 强度计算

5.4.1 抗弯承载力计算

计算可得2#纵梁抗弯承载力最大，计算结果见表2所示，结果云图见图10所示。由计算结果可知，在荷载组合作用下，大公桥梁体控制截面抗弯承载能力满足规范要求。

图10 2#纵梁承载能力组合弯矩包络及对应抗力图

5.4.2 抗剪承载力计算

计算可得2#纵梁抗剪承载力最大，计算结果见表3所示，结果云图见图11所示。由结果可知，在荷载组合作用下，大公桥梁体控制截面抗剪承载能力满足规范要求。

大公桥梁体抗剪承载能力计算结果 表3

图11 2#纵梁承载能力组合剪力包络及对应抗力图

6 结语

本文基于古桥评估及保护的需求，对古建筑领域三维激光扫描技术的研究现状进行了总结，结合无锡大公桥的三维扫描流程，研究了三维激光扫描技术的应用，建立了大公桥的有限元模型，对其现状进行了检测与评估，主要结论如下：

①三维激光扫描技术具有非接触、限制小、速度快、精度高等优点，在应用过程中突破了单点测量方法的技术局限，与传统测量技术相比优势明显；

②基于三维激光扫描技术获取大公桥点云数据，结合MIDAS应用建立有限元模型，进行数值模拟计算，经综合分析评估，各项计算结果均满足规范要求；

③三维激光扫描技术是一项新兴的测量技术，对于古建筑的数字化保护具有重要意义。希望通过本文的研究，能够提高古建筑测绘及保护工作的效率，为古建筑保护工作作出贡献。