基于激光点云的桥梁变形分析方法研究

陈守辉，徐小华

(湖北省交通运输厅汉十高速公路管理处)

在桥梁构筑物结构简单特征线明显的部位，通过曲面拟合的方法将桥梁构筑物表面扫描的点云进行建模分析，可以一定程度上反映出桥梁下沉、倾斜、表面损坏等情况。针对桥梁有些部位结构复杂，又考虑到是重要部位，监测必须要进行分析，本文采用基于ICP配准方法的变形分析研究，ICP配准算法已经是很成熟的点云配准算法，配准精度高、收敛性强，对于多期点云数据，用ICP配准方法提取变形是这个算法创新的应用。

1 基于曲面拟合的桥梁变形

构筑物形态变形是指构筑物使用一段时间后其表面形态相对于初始运营时发生变化的描述。通过对桥梁的结构状态分析，桥梁表面多数为平面或者简单曲面，不论是桥面、梁体还是桥墩一般都是规则的几何体形状，这就为形态分析创造了良好的条件。通过特征提取，将桥梁几何结构简单部位分割后，利用最小二乘平面拟合求出平面方程、计算平面法向量、平面拟合残差，通过计算不同时期两个面夹角的变化来分析桥梁的不均匀沉降，利用不同时期曲面拟合残差的变化来分析桥梁表面相对形态变形。

2 实验结果分析

2.1 桥梁梁体变形实验分析

对桥梁梁体变形分析采用平面拟合算法，对桥梁两期扫描的数据进行对比分析。桥梁顺桥轴方向每段T梁长度30 m，横桥轴方向盖梁长度14.7 m。梁体两期观测计算结果如表1所示。

表1 桥梁梁体变形分析结果

续表1

从两期观测数据计算的结果中，具体分析如下:

两期观测数据中，横桥向盖梁底部与侧面夹角变化为:左幅变大 0.014 9°，右幅变大 0.024 35°;顺桥向 T 梁底部与侧面夹角变化为:左幅变大 0.025 28°，右幅变大 0.040 49°。实验结果表明在横桥向盖梁在墩身的支撑下，变形量微小，顺桥向T梁，由于长度较长，支撑物距离较远，相比较盖梁来说变形量稍大。

从梁体两期表面拟合中误差结果中可以看出，盖梁表面拟合中误差变化均在0.5 mm以内，T梁表面拟合残差变化在0.5～1 mm之间，进一步表明，T梁变化稍大。

通过分析可得出，在桥梁运营期间顺桥向T梁形态容易变形，主要是桥梁不均匀沉降所致，在一定程度上可以反映桥面的沉降。

2.2 桥梁墩身变形实验分析

实验扫描的桥梁墩身是标准的圆柱体，为截取桥梁横桥向连续的6个墩身扫描的点云示意图。

实验选取了桥梁某位置左幅和右幅的6个墩身进行分析，通过曲面拟合计算出曲面拟合中误差，并计算出墩身圆柱的拟合直径。结果如表2所示。

从两期计算结果中可以看出，桥梁墩身两期的拟合残差之差在1 mm以内，两期墩身拟合圆柱体直径之差在2 mm以内，在测量误差允许范围内可以认为桥梁墩身在两期内没有发生相对形态扭曲、破损现象。

表2 桥梁墩身变形计算结果

3 结论

(1)推导了平面拟合以及二次曲面拟合算法，编程实现了平面拟合算法以及计算平面法向量，给出了基于曲面拟合算法的桥梁变形分析步骤，实验表明:该方法可以反映桥梁运营后在横桥向和顺桥向的不均匀沉降、梁体以及墩身表面形态变化。

(2)研究了ICP算法分析变形的步骤，给出了提取变形量精度指标。通过Visual C++6.0结合OpenGL编程实现了ICP点云配准算法以及变形量提取，实验表明:应用ICP配准算法对桥梁两期数据进行配准，依据最近点的距离值确定变形阈值可以提取表面变形量。

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［1］马立广.地面三维激光扫描测量技术研究［D］.武汉大学硕士学位论文，2005.

［2］朱凌，石若明.地面三维激光扫描点云分辨率研究［J］.遥感学报，2008，12(3):405-410.

［3］郑德华.三维激光扫描数据处理的理论与方法［D］.同济大学博士学位论文，2005.

［4］郑德华，雷伟刚.地面三维激光影像扫描测量技术［J］.铁路航测，2003(2):26-28.