桥梁检测三维激光扫描技术的应用

丁鹏剑

（江西省公路工程检测中心，江西 南昌 330013）

0 引言

桥梁检测工作的实施过程中，应用点云数据建设模型，可以提高检测的精度。这种方式获取各项数据信息，应用三维激光扫描方式完成工作，落实桥梁检测的工作和要求，能够填补传统变形检测不能精确定点测量的检测空白。对于实际测量的数据实施系统化的处理，获得被测量部位上的三维坐标数据，并开展连续性的三点测试，进而可以形成全新的模型框。在检测环节能够定期观察了解结构的变形状况，得出桥梁的使用状态。三维激光技术能掌握足够的数据信息，快速完成模型构建，对提高扫描精度产生积极的意义，在桥梁检测中可以快速地完成形态分析、变形评价，所以在桥梁变形检测领域得到广泛的应用。

1 技术原理与优势

目前的三维激光扫描技术包含多种类型，按照不同的标准进行分类，比如依据空间载体上的差异，将其分为机载、车载、地面设备等；依据不同测量方式，可以分为脉冲式、相位式、光学结构式等。可以结合不同使用情况，选择合适的设备类型。三维扫描技术中应用最广泛的是激光测距技术，通过应用光速水平和垂直角构建点云模型，在通过现场的设备获取相应的时间数据信息和距离信息，然后得出三维坐标数据。

在地面扫描技术中，包含很多组成部分，应加强各个部分和环节的控制，在并根据需要选择合适的扫描头，利用发射、接收信息的装置能够实现快速定位，获取相应的空间位置信息。控制器结构内，以距离测量模块、扫描控制模块和计算机总线作为主要的组成部分，进行反射强度的计算分析，经过分析确定后，获得的信息传输到计算机处理器、存储器内，再开展深入的分析。三维扫描技术获取坐标参数后，首先应确定相应的空间直角坐标系，明确原点，然后明确坐标参数，为后续工作提供基础。在三维模型建设过程中，三维数据坐标的获取可以得出相应的坐标数据信息，从实测定位、遥感测绘、光学测绘等方面出发，收集各个坐标点的数据信息，利用测量程序、三维激光扫描技术，能够准确地建立模型数据信息。经过分析发现，该方式的精度达到毫米级，同时还具备操作便捷、采集密度高、主动测绘等优势，不受外部环境的干扰。应用相机和定位系统可以创建三维实体模型，得到点数数据信息，测量质量和效率比较高、工作强度比较低、作业量较少。

2 桥梁变形的检测方案

某大型桥梁工程设计为悬索形式，跨径尺寸大，对现场施工标准要求较高，技术人员根据实际情况确定检测实施方案，包含下述几个方面：

2.1 检测基准点和检测点的布设

分析桥梁变形数据的环节利用三维激光扫描技术进行，在现场明确基准点。基准点布置时，要确保数据采集准确、精确以及可靠，分析各方面因素，优化数据点的设置，提高系统运行精度。当前，效果最佳的是应用GPS 系统与全站仪测量联合应用，获取坐标参数，然后即可形成变形点数据，对变形量的分析和控制起到积极的作用。

2.2 三维激光技术扫描点云数据的预处理

获取点云数据后，根据系统预定的标准可以完成点云数据预处理工作，还要分析变形量的数据信息，进而可以掌握桥梁变形的情况。预处理点数据是重要的工作，目的是将大量的数据信息中个别冗余数据点去除掉，还可以完成各项点云数据的拼接以及渲染处理。在点云数据处理环节，应做的是优化数据，将各项数据转化为需要的数据格式，使用Micro.Station完成数据处理，获得文本数据信息，并使用相关系统实现数据的优化与改进，提高数据的利用率。

2.3 变形检测数据变形分析方法

预处理工作结束后，得到优化后的数据信息，在系统内直接进行桥梁变形量数据的获取。因为系统获得的点云数据是整体性的，所以通过数据分析和处理即可得到整个桥梁变形的信息，再根据分析软件得到的整体形变数据信息，分析特定范围内的模型信息，最终掌握形变信息，借助LiDARSurvey 可以进行整个区域的隔离性处理，得出点位受力数据，为桥梁优化设计提供基础条件。在变形检测环节，获得的变形数据分为下述几个方面：基于LiDARSurvey 建设点模型，渲染处理后获取相应模型，分为曲面模型与线模型，了解各个模型的变化量，即可得出变形状态信息。

3 技术应用

3.1 控制网测量

某桥梁项目的工程量巨大，是当地重要的交通要道，对整个区域经济发展有重要的影响。整个桥梁项目建设技术水平要求高，施工难度也比较大。该项目的建设总长度为12.89km，包含两座特大的跨海大桥。根据设计方案的要求，该项目选用的是钢箱梁桥梁形式，主跨结构尺寸比较大，引桥设计为预制拼装箱梁形式，采取分节段的制造方式。在桥梁正式投入使用之前，对桥梁实施荷载试验分析，确定是否能够达到正常通行的标准。在对桥梁进行荷载试验分析时，需要进行全面变形检测，只有达到规定标准要求，才能投入使用。在变形检测中，技术人员决定应用三维激光扫描技术开展，并根据需要在现场布置控制点和基准网。利用测绘系统可以开展全面的复核与检测工作，并应用静网观测的方法，形成全面的监控网络体系，对数据获取产生积极的作用。在观测的环节，一般需要观测1h，并进行数据采样，发挥出卫星测量技术的优势，使用卫星数量在4 颗以上，观测1.6个小时以上。为了防止出现严重的偏差，各个基准点都要进行强制对中设置，再获取数据信息，实现全面检测。工作开展中，采用中心连接螺栓的方式固定仪器，将对中偏差限定在合理的范围内。基准点设置工作结束后，应用南方GNSS 接收机对整个桥梁项目实施静态观测。通过控制网二维约束平差与三维自由网平差后，获得各个基准点的坐标、高程数据信息。

3.2 数据采集

结合不同位置上的地形条件，选择合适的三维激光扫描仪设备，以达到数据精度的要求。结合此次测量工作的需要，选择应用RIEGLVZ-400i 设备。结合此次桥梁的变形检测工作的要求，按照如下顺序进行观测设置：

第一，在整个桥梁的西侧位置上，在临江一侧以及屋顶部位上设置基准点，并对桥梁的主缆、吊索、索夹、索鞍、塔柱等进行扫描，了解变形数据信息。

第二，对于测量的东塔、西塔的引桥结构，在桥梁上设置基准点，在定向处理结束后，开展扫描和处理。为了使检核以及拼接作业都能够顺利完成，在每一次基准点布设结束后，都要对整个结构进行重合性扫描，以实现公共面的重合性设置，即可对测量后的点云数据检核确定，明确具体的基准点的精度信息。根据此次设置的东塔、西塔的塔基位置设置纸质标靶，经过扫描的环节，可以进行标靶位置的扫描设定。再应用徕卡精度为0.5s 的全站仪TM50I 测量。根据基准点的设置形式，完成标靶中心测量工作，得到三维坐标数据信息，为后续的激光扫描数据测量和应用起到一定的作用。基准点距离标靶的间距控制在300m以内，在后续的内业处理环节，软件自动识别标靶中心数据信息，并可以快速确定坐标数据信息。因为整个桥梁的尺寸比较大，在荷载试验中，采取分级加载的方式。在整个荷载试验的过程中，温度的变化影响比较大，对各个结构部位的数据信息都会产生很大影响，是难以忽视的，虽然对现场的温度有精确的记录，但是温度场变化有很高的复杂性，应及时做出修正处理。为了避免温度荷载对检测数据信息产生很大的影响，在试验前，应落实24h 的索塔塔偏检测和记录。使用全站仪观测数据，间隔1h 记录一侧塔偏的变化情况。为了快速完成数据校核，索塔顶部需要设置投标靶，再应用三维扫描仪实现观测，快速掌握变形数据信息，了解索塔形变状态。将各项数据传输到内业空间，应用全站仪可以分析数据，并通过对比确定变形量数据信息。

3.3 数据预处理

在此次数据观测和分析中，外业扫描后，系统会接收大量的点云数据，甚至超过10 亿个。但是在操作中，有很多因素产生较大的负面影响，导致数据精度不合格，点云数据内有较多的冗余数据，对数据精度造成不利的影响。因此，需要利用先进技术将冗余数据消除掉，以免给建模造成负面的影响，提高建模的质量。

点云数据处理的环节，先要优化扫描数据信息，通过系统合理做出调整与改进，得出符合使用需要的格式，开展优化处理。自然环境中的光线、温度、湿度等方面要素都会对数据精度产生影响，且在测量中，设备会发生一定的振动、镜面反射等问题，所以应随时关注点云数据拼接，消除数据偏差的影响。在现场扫描工作实施中，因为基准点点位存在限制和影响，并且整个桥梁组成是比较复杂的，无法一次性获取相关的数据信息，因此在方案设计环节，应落实分块扫描操作，再获得各个块区点云数据，然后利用点云数据拼接把各个区的数据整合应用，才能计算确定误差参数，得出拼接精度。整个过程中，只要发现问题，就必须立即解决，以免问题扩大造成严重的后果。系统直接把多余点云剔除掉，并进行数据分块导出。从实际应用效果看，此次应用的三维激光扫描仪获得变形数据时，点云数据的精度控制在5mm 左右。整个桥梁的点云数据拼接工作结束后，即可完成平差整理性处理，从而获得的点云平面与高差偏差不超过1～2cm。

3.4 点云建模

经过数据预处理，通过系统可以完成数据建模作业，构建出符合人们使用需要的模型。使用计算机软件开展建模与分析，通过系统设置的方式，将不同部位的数据进行着色处理，再渲染处理，获取需要的图像，并根据实际应用的要求，删除离散点数据，达到使用效果。在这种条件之下，对系统数据完成降噪，将系统内的冗余数据完全剔除掉，保证点云数据达到平滑性要求，并利用采样功能可以抽稀处理点云数据信息，然后得到相应的采样间隔和曲率数据信息，最终构建出完善的点云模型数据，优化视图。最后，对获得的模型实施“封装”处理，以获取三角网模型。

3.5 点云精度比对

使用高精度的全站仪即可把索塔塔基的坐标参数传输到系统坐标内，与之相应的点云坐标参数对比分析，可以得出表1 的结论。

表1 承台坐标对比（部分）

3.6 变形分析

根据此次观测24h 获取的塔偏数据信息，分析确定检测参数值，并进行变形数据对比分析，得出精度数据。经过以上各项处理措施，把获取到的模型信息进行系统化处理，再分析相关的变形数据，可以组合形成模型系统，开展数据信息分析和控制。应用三维数据对比方式，可以快速处理模型信息，以便设计人员快速掌握和了解数据偏差。利用模型图能够真实、准确地反映出偏差最大位置的信息，了解这一要素，就可以确定桥梁应力集中点的位置，掌握局部偏差数据。三维激光扫描技术的最大优势是不需要应用光源即可实现，即使光线不充足，也能顺利实施测量作业，达到精准度的要求。但是在实际测量的环节，由于外部因素的干扰和影响，容易出现数据偏差的问题。

4 结语

三维激光扫描技术主要优势是可以实景复刻，根据需要使用点云数据进行模型建设，数据准确性高。使用三维激光扫描仪可以获取桥梁变形数据信息，进行数据处理后建设完善的变形检测模型，应用范围比较大。随着技术的不断发展，三维激光扫描仪的精度不断提高，一般可以达到5mm 的精度，从而提高桥梁变形检测的效果。本文通过实际案例分析三维激光扫描技术的应用优势，结果表明，点云数据精度达到要求标准，各方面数据符合桥梁变形检测要求。