Scansites 3D技术用于大坝监测的探讨

,

(1.长江工程地球物理勘测武汉有限公司， 武汉 430010； 2.法国SITES广州司态结构监测技术咨询有限公司， 广州 510080)

Scansites3D技术用于大坝监测的探讨

陈华1,陈方2

(1.长江工程地球物理勘测武汉有限公司， 武汉 430010； 2.法国SITES广州司态结构监测技术咨询有限公司， 广州 510080)

大坝监测内容，包括坝面的变形及表面缺陷状况，而新兴技术的发展提供了一些新的工具，可以实现详尽的、数字化的目视检查和几何测量。Scansites 3D通过生成一个关联数据库的多层文件，提供高密度的测量和详尽的检查结果。通过两个案例研究分析，展示了此方法的应用成果。

大坝监测； Scansites 3D； 应用

1 Scansites 3D技术介绍

几十年以来，在现有的监测设备和技术中，有两种方法被广泛地用于大型大坝的安全管理中：目视检查和几何测量。其中，目视检查通常是基于经验方法而通过人工实现；几何测量则是精确的，但测量点的数量是受到限制的，如：微三角法测量。

本文将介绍一种新思路，是一种详尽的、数字化的监测技术，被称作“Scansites 3D”。它是对两种技术方法的整合：Scansites，一种实现对大型结构缺陷进行数字化目视检查的先进工具；Scanner 3D, 一种新型的、远距离的激光扫描雷达，能给出详细的几何图像和正摄投影相片。本文介绍的Scansites 3D所使用的设备和技术，说明这种整合是如何实施的以及哪些数据能够被提取出来绘制在大型结构的图像上，并介绍此方法在两个大坝上的应用实例。

2 系统设备与方法: Scansites, Scanner 3D 及正摄投影

2.1 Scansites 方法介绍

很多业主对传统的缺陷检查和制图方法均不完全满意。传统的方法使用望远镜观察或者用吊绳接近目标，主要的缺点是难以生成一个按照一定比例绘制的缺陷图从而达到精确地、可重复性监测的目的(如：对缺陷演变的跟踪)。而Scansites 系统能够生成一个关联到真实的、实时的GIS(地形信息系统)数据库的数字化缺陷图像。系统的组成部分有：

a.信息化的检查工具，包括一个马达驱动的自动化检查探头和其控制器 (见图1,图2)。

图1 Scansites检查探头

b.软件包，包括一个数据库和几个专用的检查工具套件。

整个系统被设计用于野外工作，携带轻便且不需要重型搬运工具。

为了对结构的老化演变进行诊断，这一检查工具能够在几百米的范围以外定位并分析结构表面所有的可见缺陷。对于每一个观察到的缺陷，系统给出其三维空间坐标、特征(长度、开度、性状)及图片信息。这些数据将被存储在一个以真实的地形信息系统为表现方式的数据库中，能够实现对缺陷的分级分类及图像表示(见图3)。

图2 进行检查中的系统

图3 缺陷图像

2.2 Scanner 3D 方法介绍

Scanner 3D (见图 4) 是一种以三维坐标的形式生成高密度测量的工具，通过它能够获得结构的全局几何形状及其变形。基于两个角度解码器和一个远程电子距离测量装置，该系统以足够高的速度在1s之内获取数万个测量点，使用远距离测程的激光扫描装置，能够扫描远到1000m、反射系数小于20%的大型结构物表面。

图4 Scanner 3D测量中

扫描测量的结果，被称为“点云”(见图 5)，由上千万个已知X、Y、Z坐标的测量点组成，点与相邻点之间的平均密度间距在5～20mm之间。

图5 大坝点云图

2.3 摄影测量介绍

摄影测量的目的，是生成结构全面的、高清晰的图像，能够产生一个有三维坐标参考的目视检查结果。使用的相机和镜头能够给出每一像素相当于被检查结构几个mm的图像，从而能够辨识出主要的缺陷。因为图片的方向是已知的，因此，每张图片都可以投影在三维网格上并纹理化。将纹理化的3D网格图投影在原始投影(平面、锥形、圆柱)上得到一个图像。投影过后的图片被称作正摄投影图像。

3 Scansites 3D应用

3.1 输入数据

Scansites 3D的实施是基于一个已知的参考坐标系，该坐标系可以使用传统的大地测量方法(靶标、观测墩)来建立。如果没有可用的控制网，可以基于结构上的单个点用传统的测量步骤建立。

为了实施目视检查，需要事先了解工程的要求，包括关注的缺陷类型及分级分类原则，其中一个最重要的参数是所需要测量的裂缝的最小开口宽度，用于确定检查中所要选用的镜头焦距(可以长达4000mm)。

3.2 Scansites 3D 过程

Scansites 和 Scanner 3D 架设在多个不同的位置上以全面覆盖结构的表面。采用高增益摄像机和高品质镜头的Scansites可以在低亮度的环境下工作；Scanner 3D可以在夜晚工作。

使用Scanner 3D通过全面的扫描可以获得结构的点云数据，并以此为基础生成三角格网图并将其转换到三维表面(见图 6)。该三维表面的用途是使Scansites能够在三维空间里定位缺陷的位置。

图6 三角网成图

有了这些基础数据，开始进入目视检查阶段。用Scansites的探头完成坝面的整个扫描，捕获所有可见的缺陷。三维图像上会实时显示缺陷并将其录入到数据库中，包含缺陷的特性参数和坐标。通过Scansites扫描，一个全面的高清晰摄影测量被完成。

4 数据处理

数据处理的目的是在一个多层的文件上生成一个图像，包含所有被捕获的缺陷、几何变形和摄影测量的图片。该文件能够产生多个不同的组合视图，包括缺陷/变形图、缺陷/图片和主题视图(来自于数据库查询)。共分为三个步骤：

a.比较所测量到大坝的3D形状同理论设计或者以前的测量结果的差别。一个三维的变形被提取出来，生成一个图像。该图像可以用不同颜色代表不同变形量的彩色图像，也可以用等高线图的形式展现出变形的大小。

b.用坐标参考网将Scansites检查到的缺陷叠加在第一步的图上。

c.直接将图片叠加在结构的3D形状图上以生成一张正摄投影影像图。

5 实例分析

5.1 大坝案例1

欧洲某大坝，其主要参数为：高度87m，坝顶长180m。用Scansites 3D技术对大坝的上游墙面和下游墙面都做了测量和检查，主要目的是将几何变形关联到结构表面的缺陷上。Scanner 3D采集了1200万个点的数据，Scansites检查到的缺陷数量接近300个。图 7显示的是大坝的下游墙面用颜色谱表达的变形量对比表面缺陷的图样。

图7 变形/缺陷叠加和放大图像

5.2 大坝案例2

第二个研究案例在欧盟，坝高120m，坝顶长250m。Scansites 3D站点设在距大坝下游墙面平均200m左右的位置(见下页图8)。检测的目的是获得大坝的几何变形量，对敏感区域(靠近河岸部分和大坝的底部)进行非常详细的目视检查，对其他区域做详细的检查和一个全局的摄影测量覆盖。通过检测，一个描绘了上千万个点的点云被生成，整个坝面连带图片一起投影到坝面的3D形状上并展开，整个画面的像素超过了30亿 (见图 9)。敏感区域的目视检查使用了Scansites，常规区域内所有的缺陷则直接在3D 纹理模型上获取。

图8 检查中的Scanner 3D和Scansites

图9 投影图像

6 Scansites 3D技术的优势

传统方法难以获取具有缺陷的准确位置以及演变的图像，而Scansites能提供数字化的结果：生成一个比例缺陷图像和缺陷数据库。所有的数据(图片、几何测量、缺陷图、演变)都叠加在一个文件上，从而能够快速地对结构进行诊断而不需要繁琐地融合来自于不同报告中的数据；能够展现大坝当前状态及两次检查之间的缺陷演变；可以对各种缺陷进行统计、分析，掌握需要处理的裂缝的总长度、需要处理的锈蚀钢筋总量、裂缝与几何变形是否相关等，从而对修复工程产生巨大帮助。

传统的大地测量使用经纬仪和众所周知的三角测量方法，其优势在于能够接近最好的可能的准确度(接近1mm)。但是，由于是一种“离散”的方法，它只关注于有限的测点，通常是几十个靶标或者反射棱镜，而这些点并不可能都放置在结构关键部位上。相比而言，即使Scansites 3D的精确度要略低，但高密度的三维扫描所产生的表面轮廓也可以接近3～4mm的精度。该方法通过对数百万个点的处理，提供结构的一个全局信息并凸显所有的细节，大大改善了几何变形诊断的灵敏度(见图10、图11)。

图10 Scanner 3D叠加在测量靶标上的变形图

图11 传统测量靶的变形图

7 结 语

大坝监测新方法Scansites 3D不需要预先安装设备即能获取被监测部位乃至整个大坝的高精度(3～4mm的精度)缺陷、变形信息，自动生成数字化图像及缺陷数据库，为缺陷与变形之间的关联分析及后续处理，提供有力手段。

Discussion on Applying Scansites 3D Technology in Dam Monitoring

CHEN Hua1, CHEN Fang2

(1. Changjiang Engineering Geophysical Survey Wuhan Co., Ltd., Wuhan 430010, China; 2. French SITESGuangzhou Sitai Structure Monitoring Technology Consulting Co., Ltd., Guangzhou 510080, China)

Dam monitoring contents include dam surface deformation and surface defect condition. Development of emerging technologies provides a number of new tools for realizing detailed and digital visual inspection and geometric measurements. Scansites 3D can provide high density measurements and detailed test results through generating a multi-layer file of relational database. Application results of the method can be exhibited through study and analysis of these two cases.

dam monitoring; Scansites 3D; application

TV523

A

1005-4774(2014)12-0058-04