基于影像扫描技术的京石高速公路桥梁病害检测研究

赵治国

（河北京石高速公路开发有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

影像扫描技术具有精度高、速度快、测程远、易操作等优势，除了在地形测量、矿山测量等传统领域应用外，在高速公路桥梁检测等领域应用前景极为广阔。本文将分析影像扫描技术的数据采集、数据处理方法，并在室内试验的基础上，将影像扫描技术在京石高速公路桥梁检测中应用。

1 影像扫描技术的特点

影像扫描仪将传统的全站仪测量功能与现在三维扫描技术、近景摄影测量技术相互结合，兼具全站仪与扫描仪的功能，可以实现对棱镜的自动锁定和跟踪功能，实现单人进行测量作业工作，极大地提高了作业效率。

（1）与传统检测方法对比，该方法精确度更高，距离测量精度更优。

（2）灵活度更好。地面墩台直接架设仪器即可扫描拍照，省去高空作业、高速公路设置障碍麻烦，持操控手簿在车里即可扫描量测。而传统桥梁检测方式较为笨拙，灵活性较差。

（3）作业更简单易行。根据现场实际情况，利用全站仪功能实现多种测量方法灵活应用，易学易用。

（4）作业效率更高。内业处理效率提升一倍以上。

（5）外业可直接出成果，也可把数据传回办公室出成果，且外业点云可在外业实时呈现，方便一线人员及时检查数据，对数据进行初步检查，有遗漏或数据异常的，可实时调整，符合基本调查流程规范要求。数据可存档，可矢量化。

2 影像扫描的数据采集

（1）闪电3DM技术

闪电3DM 技术是高精度测量和高速扫描能力的技术保障，依靠这一技术的影像扫描仪可以实现单一仪器在捕获高精度的全站仪测量数据的同时，进行高速3D影像扫描，仪器性能更为稳定。

影像扫描仪测量速度快、效率高，测量速度最高可达26 600 点/s，测程可达600m。利用捕获点云数据，能够自动配准到测量工作流中。从所设测站获取全穹顶扫描或仅是对某个区域进行选取扫描，采集的所有信息都将完整地进入到测量坐标系统中，与以往测量数据直接连接。

（2）Trimble VISION（望远镜相机）技术

望远镜相机远距离获取局部细节信息，最大可放大84 倍，1km 外物体清晰可见。外业作业完成的质检工作是整个作业流程中的重要一环，该技术可以提供现场影像资料，保留原始资料，便于作业人员进行自检及后期检查。现场工作人员也可以通过照片查找裂缝，现场直接量测裂缝。针对微小的裂缝，可以直观明了地在手簿上查看、扫描、量测，所有照片配合点云可以实现1∶1量测，数据真实可靠，S型、曲线型等裂缝类型都可以在软件中直接画出，便于统计尺寸和面积，数据以电子文档保存，方便调用和查询。

全站仪式的架站方式、导线式工作流，可真正实现多站数据的误差控制，减少架站数据间误差的不断累积。用符合测量人的工作流程规范，控制获取到的海量点云数据和影像数据。

仪器本身精度根据仪器对目标物体的距离远近、反射面的反射程度不同而有差异，但均能满足0.1～10mm 的精度要求。自动获取点云真实坐标，无需点云拼接，无需坐标转化。选区式灵活的扫描模式方便获取特定区域内的数据，减少冗余数据。采用非接触测量模式，有利于保护被测物体，无需埋点，节省资金和时间，减少了安置反射标志带来的安全隐患。

3 影像扫描的数据处理

影像扫描技术能够嵌入客户现有的行业技术工作流，也可以完善和改进传统作业模式。依靠操作简便的专业软件，方便用户进行外业智能定点放样；依托功能强大的专业软件，整合客户所有测绘仪器的数据处理流程，不仅局限于影像扫描仪。专业软件的一键式操作模式，极大简化了用户学习过程，降低用户学习成本，同时为用户增加了业务范围和可能。

（1）TA智能操控技术

影像扫描仪颠覆了传统作业人员接触式操作仪器的工作方式，依托强大的MagDrive （磁驱技术），使用TA（Trimble Access）数据库软件远程连接仪器，在手簿上轻松实现外业的所需的所有操作，在外业恶劣残酷的环境下，为作业人员提供方便。

在TA 中不仅可以进行手势控制、代码测绘、散点测量、坐标计算，在放样过程中还能实时显示影像或地图，必要情况下的简单距离和面积计算也可在外业实时进行。

（2）高效的数据处理软件

全面综合并可扩展的工具套件，能够用于各种地理空间业务，可充分挖掘GNSS 测量数据的潜力，配有灵活的选项以及功能强大的可视工具和建模工具。GNSS 基线处理和RTK 数据处理高效快速，全面支持GNSS 观测。支持全站仪、水准仪和空间测站仪的光学设备的数据的导入、平差及其他处理快速准确的表面建模、各种通道模型设计和计算，用于创建和导出图形的要素代码处理，支持Trimble Geomatics Office 工程文件的导入。Trimble Business Center 软件能够自动识别GNSS 文件格式和常规的全站仪和数字水准仪等测量数据文件格式，支持导入带非标准格式的ASCII 文件，支持自动的互联网下载与项目相关的精密数据等。软件可以导出各种用户需要的测量数据和自定义数据。可快速处理静态基线，处理速度是Trimble Geomatics Of⁃fice 软件的10 倍以上，能处理GPS 的L1/L2/L5 以及GLONASS 的数据，可以自定义起算点和起算边，在原始数据导入时验证并改正其中的外业错误。可以实现GNSS数据与全站仪数据、电子水准仪数据的联合平差。可以处理事件数据，其中的事件标志表示测量期间每个事件的精准时间。Trimble Business Center 软件支持通道功能，即一个线性结构的3D 模型（例如道路、隧道或水路等线性构筑物），该通道支持超高、断链，同时可以在通道的不同表面设置不同的材料层。Trimble Business Center 软件可以将表面数据导入到项目中，或者用现有数据创建表面，以实现表面数据的3D可视化。Trimble Business Center 软件可以处理自定义的要素编码，包括测量员在采集测量数据时遇到的对象，如树、篱笆、门、标志、电杆和建筑物等。导入和处理这些编码后，软件自动生成地形图，生成的地形图可以导入后续的CAD 软件中继续处理，节约CAD 软件中成图的工作量。

4 基于影响扫描技术的室内模拟试验

在正式进行桥梁检测之前，首先在室内利用三维激光扫描仪进行裂缝检测的模拟试验，进行可行性探索。

（1）测试环境

在走廊两端测试，在一张A4纸上用0.38mm 签字笔画曲线，贴到一端的窗户上。三维激光扫描仪架到另一端，测距显示19m。

（2）模拟试验数据处理与分析

距离19.006m 超精细扫描点间距2mm。高清照片可以分辨出所画的曲线，但是点云达不到1mm 的密度。通过照片+点云可以量测曲线（裂缝）的长度和宽度。

5 影响扫描技术在京石高速公路桥梁检测实施

由于京石高速公路（河北段）沿线桥梁多，结构种类丰富，材质有钢筋混凝土和钢结构等，经现场调研统计，京石高速公路桥梁结构形式主要包括箱梁桥、T 梁桥、板梁桥，桥梁材质大部分为钢混桥，局部为钢结构。

5.1 桥梁结构特点分析

在所调研的所有桥梁结构形式当中，箱梁桥和T梁桥虽然属于两种不同种类桥梁，但是对于现场扫描作用而言，区别不大。这两种桥梁具有如下共同特点：每片箱梁或T梁都具有腹板结构，且高度比较明显，导致同一跨度内并排的几片梁之间有竖向净深。这种结构特点给扫描和拍摄作业制造了很大的障碍。相对而言，板梁桥比较容易扫描和拍摄，遮挡情况几乎不存在。

5.2 基于三维激光扫描的桥梁结构检测规划

本次野外数据采集试验里程段为京石高速公路滹沱河大桥等典型桥梁，全面覆盖所有桥梁形式和材质。野外数据采集时，以每幅桥跨为一个数据采集单位进行。

箱梁和T梁桥在外业扫描作业时，为能够观测到腹板遮挡部位，采用桥端头变换设站位置方式，每次将仪器架设于相邻两片梁的中间位置处，然后开启仪器扫描功能，沿桥梁纵向方向扫描；扫描完一个纵向跨度后，变化设站位置，重复上述过程扫描，直至一个跨度、全桥梁横向宽度扫描结束为止。然后进行下一跨度的扫描观测。

板梁桥由于几乎不存在遮挡情况，仪器架设灵活度较高，视桥梁跨度大小而定。当跨度较小时，将仪器架设于桥端头中间部位，开启扫描功能进行纵向、横向连续扫描，一次性完成一跨度整个桥梁的观测；当跨度较大时，将仪器架设于桥梁纵向跨度中央位置，然后开启扫描功能前后左右四个方向旋转扫描，直至一个跨度桥梁扫描完成。

5.3 三维激光扫描的桥梁结构检测一体化作业流程

三维激光扫描内外业一体化作业流程大致如下：

（1）踏勘场地，架设仪器。根据桥梁现场实际情况和上述规划方案，选择合适的仪器架设位置。

（2）框选目标区域。开机，利用仪器高精度相机框选扫描拍摄区域。

（3）桥梁三维扫描。开启扫描功能，按照规划方案进行全面扫描作业。

（4）桥梁细节部位近景拍摄。对兴趣点进行拍照、观测、量距、查看裂缝、保存影像和点云数据等。

（5）数据导入。内业处理，直接把扫描的.jxl 文件拖入到TBC软件，软件自动导入点云，给点云着色。

（6）编辑点云。把无用点云删除，留下观测数据。

（7）量测。使用量测功能，可以直接量测两点间距离或者折线距离，通过折线功能，也可把兴趣区域圈起来，得到表面积。

通过现场试验和应用，发现尽管影像扫描检测技术非常简便高效，但是该技术的裂缝病害检测最终需要依靠扫描的详细程度，影像图片通常只作为病害识别和定位的辅助手段。但桥梁裂缝分布走向随机性较强，可能与扫描方向平行或者斜交（或者正交）。美中不足之处是，该扫描目前主要为线列阵方式扫描，如果扫描方向与桥梁裂缝平行时，细微的裂缝有可能因为线列阵间距偏大而漏检，造成检测失败。为了防止此现象发生，一般需要迁站进行至少两个方向的扫描，纵横交错，达到全方位扫描的效果。桥下地形复杂时，迁站相对比较困难费时，制约了工作效率。

6 结语

基于点云的三维激光测量极大地优化了传统工程测量的作业模式。在传统的桥梁检测中，需要配备专业高速台车，每天一万元，作业成本高；高空作业，靠人眼识别裂缝，效率低、危险系数高且精度不高，无法保存野外观测裂缝数据。而全站扫描仪基于点云的真三维测量模式将测量对象实时立体地呈现在使用者面前，点位的测量、图形绘制以及施工放样均可在三维点云的基础上进行，使用者可以根据需要对感兴趣的桥梁进行监测，获取点云、高清照片、真实长度值和面积，降低了出错的概率，极大地提高了工作效率。