激光扫描技术下桥梁变形监测方法的研究

黄承亮

(重庆市勘测院，重庆400020)

一、引 言

三维激光扫描技术被称为“实景复制技术”，它能够快速、全面、海量地获得原始点云数据，并利用点云数据，完整高精度地重建被测实体。在桥梁变形监测方面，传统监测方法是通过连续和定期的单点观测，对多期观测数据进行对比分析，完成对桥梁安全性的确定，但是在对桥梁整体变形或任意位置的变形情况无法准确获取。三维激光扫描技术凭借其独特的数据获取方式，方便、快速、全面地获取变形体物表面的三维数据，扫描精度均匀、密度高，可以很明显地反映出物体表面的细节变化，便于整体从形态上分析和评价变形。因此在桥梁变形监测方面具有广阔的应用前景。

本文针对桥梁监测精度要求高的特点，提出并设计了桥梁变形监测方案，采用建立精密控制网作为三维激光扫描的基准，辅助三维激光扫描提高测量精度，并通过试验研究分析了基于点云数据的桥梁监测数据处理方法。

二、三维激光扫描仪和相关软件介绍

1．三维激光扫描仪

本文采用的是是奥地利RIEGL公司的最新一代激光扫描仪，VZ-1000三维激光扫描仪。该仪器由高精度、长距离三维激光扫描仪和高分辨率的数码相机组成。VZ-1000三维激光扫描仪最远扫描距离可到1400 m，测量精度优于5 mm，建模精度优于2 mm。

2．相关软件介绍

(1)RiSCAN PRO

RiSCAN PRO是三维激光扫描仪VZ系列的自带软件。用户可以用RiSCAN PRO软件配置传感器参数，进行数据获取、数据显示、数据处理和数据存档等操作。

(2)Geomagic Studio

由美国Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件Geomagic Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。Geomagic Studio可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。

(3)Geomagic Qualify

Geomagic Qualify是由美国Geomagic公司提供的一款快速检测软件。通过这个软件可以准确、快速地检测到CAD三维数字参考模型与实际构造部件之间的尺寸误差，并自动地将这种比较的结果差异以直观、易懂的色谱图形式来显示出来。除此之外，它还可以进行形位误差的比较、评估等。该软件还会将检测到的尺寸误差、形位误差等结果，以报告的形式呈现出来。

三、桥梁监测方案与数据处理

本文根据Riegl VZ1000三维激光扫描仪的特点以及数据处理软件的功能，设计了变形监测方案，包括外业数据采集和内业数据处理两大部分，如图1所示。

图1 桥梁监测方案与数据处理

1．控制网建立于数据采集

获取高质量点云数据要从距离、角度等方面入手，在控制网布设过程中要注意以下3个方面:①控制点之间的间距控制在100 m以内且通视良好;②控制点到扫描目标距离控制在50 m以内;③网形布设要符合常规布设要求。

使用GPS和高精度全站仪进行控制网测量，利用GPS获取基准点的空间大地坐标，利用高精度全站仪获取均匀分布在桥梁周围的控制点坐标。控制网的作用是:①可以将桥梁点云数据由自由坐标系转换到空间大地坐标系中;②在三维激光扫描过程中将控制点作为标志点架设标靶或三维激光扫描仪。

采用Riegl VZ1000三维激光扫描仪获取桥梁实体的三维坐标，扫描过程依据其配套软件RiSCAN PRO的功能，可以采用两种扫描方法:①将仪器架设在控制点上并进行对中整平，将标靶架设在后视控制点上进行定向，然后扫描，多站测量也是如此，这样扫描的多站点云数据不需要配准，均在控制网标准下的大地坐标系统内，扫描精度取决于控制网精度以及扫描时的误差影响;②将标靶架设在控制点上，扫描仪任意架站，每连续不同两站有相同的标靶作为同名点，扫描结束后可以依据RiSCAN PRO数据处理软件将控制点坐标加入到标靶拟合中心点上，采用后方交会将测站点计算并转入大地坐标系统中。

2．桥梁变形监测数据预处理

利用三维激光扫描仪获取桥梁体点云数据后，必须要进行数据处理，为后续的变形分析与提取变量作好必要准备，原因如下:首选，桥梁是大型复杂结构，扫描时必须要多站扫描，点云数据配准也必须进行;其次，在扫描过程中难免会有冗余数据、噪声等杂点，点云数据去噪、缩减也是数据处理的重要步骤。

3．桥梁点云数据变形分析方法

三维激光扫描获取桥梁数据后，数据处理配准完成后的变形分析、变形提取工作是变形监测的核心。变形量的分析和提取的质量好坏直接影响着变形监测的预测与防护。三维激光扫描的点云数据是全面的整体数据，但是单点定位的精度并没有传统测量方法精度高，而其表面建模精度却很高，这个优势很明显。在桥梁构筑物特征明显的部位，通过对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。本文主要运用第三方点云处理软件对桥梁建立三维模型，并通过检测软件对每期模型之间的变化进行分析和提取。

(1)基于Geomagic Studio建立点云三维模型

Geomagic Studio软件点云建模包括3个阶段:点阶段、三角形阶段和曲面阶段。

在点阶段首先对导入点云进行着色处理，使点云数据显示更加直观和立体，方便后续的处理;然后通过“体外孤点”命令对点云数据中远离整体点云的进行选择和删除;运用“减少噪音”命令将点移至统计的正确位置以弥补扫描仪误差，通过“减少噪音”处理可以减少点云的噪声点并且使点云排列更加平滑;最后通过点云抽稀功能对点云数据进行抽稀，该功能按照曲率变化进行抽稀，在曲率变化大的位置会保留较多的点，在曲率变化小的位置保留较少的点，这样既能抽稀更多的点也能保留更多的点云特征。

在三角形阶段，软件将点云构建物空间三角网模型。在三角形阶段软件会通过填充、裁剪、雕刻、松弛、删除钉状物等功能使三角网模型更接近于真实建筑模型。

在曲面阶段，软件会将三角形模型通过构造生成NURBS曲面，并且可以将曲面以其他软件格式输出。

在变形监测分析中，只需要物体的三角网模型，因此在桥梁建模中只需要建立质量好的表面三角网模型。具体建模过程将在实例分析中阐述。

(2)基于Geomagic Qualify分析三维模型变形

由于Geomagic Qualify具有较强的模型分析和对比功能，因此在变形监测中可以运用该软件强大的分析功能对每期数据之间的变化进行提取。运用Geomagic Qualify软件的3D分析功能，可以对两次数据模型之间的整体变形情况进行比较，并通过色谱图的形式进行显示。运用Geomagic Qualify软件的2D分析功能，可以在数据的任意位置作横截面，比较横截面位置处两个模型的变化情况。运用Geomagic Qualify软件贯穿对象截面功能，可以对该截面下模型之间的特征关系进行分析，如长度、夹角、半径等。Geomagic Qualify软件提供了全自动化的报表功能，可以将分析得到的数据通过统一的报告进行输出。

四、实例分析

1．控制网布设及数据采集

本文选择赵家坝立交一段作为试验对象。通过对苏家坝立交现场勘查，为了获取试验段的桥梁数据，在立交四周布设了4个控制点，各控制点采用GPS进行平面测量，采用水准仪进行高程测量，控制点布设如图2所示。

图2 控制网

分别在控制点ZPJ3和ZPJ4上架设扫描仪;在控制点ZPJ1和ZPJ2上架设标靶，控制点ZPJ1作为后视定向点，控制点ZPJ2作为检校点。扫描时采用的点云分辨率为0．03 m，在扫描同时对立交进行了影像采集，扫描完成后对标靶进行了数据采集。共对赵家坝立交试验段进行了两期扫描。

2．数据预处理

通过扫描得到的原始点云数据如图3所示。将控制点坐标导入RiSCAN PRO软件，由于进行了两站扫描因此需要对扫描数据进行拼接。首先运用软件的Backsighting orientation功能对点云数据进行坐标转换，得到在大地坐标系下的点云数据;然后运用软件的Multi Station Adjustment功能对两站点云数据进行精细拼接，通过拼接最终得到试验段的整体点云数据，其拼接精度为2 mm。

图3 拼接后点云数据

由于在扫描过程中存在许多的杂点和多余数据，需要对其进行删除，采用人机交互方式对多余点云数据进行删除，得到立交试验段的独立点云数据，如图4所示。

3．点云建模

将桥面数据导入到Geomagic Studio点云处理软件中，并应用“着色点”功能对点云进行着色，得到效果如图5所示。通过“体外孤点”功能对离散点进行自动选择，并进行删除。运用“减少噪音”功能对点云进行去噪处理，使点云更加平滑。并通过点云统一采样功能对点云进行抽稀，采用0．04 m的采样间隔。并将曲率优先调整到最大，得到抽稀后的点云数据，如图6所示。从图6中可以看出在点云抽稀同时物体的轮廓特征得到了较好保留。完成对点云数据的处理后，运用“封装”功能对数据进行封装，得到三角网模型，如图7所示。

图4 试验段独立点云数据

图5“着色点”桥面数据

图6 点云抽稀结果

图7 三角网模型

4．变形分析

将赵家坝立交试验段桥面两期模型数据导入Geomagic Qualify软件中，并将第1期数据设置为参考数据，将第2期数据设置为测试数据。运用“3D比较”功能对模型数据进行比较，结果如图8所示。

图8 3D分析结果

通过3D分析，得到两个模型之间的最大偏差为+0．0206/－0．0950 m;平均偏差为+0．0011/－0．0011 m，标准偏差为0．001 4 m。图中可得出最大偏差出现在模型边缘，并没有出现在模型中不，因此可以看出两期模型没有发生较大变化。

在3D分析结果基础上运用软件提供2D比较功能，在桥面上分别截取一个横截面和纵截面，对两个截面上的两期数据进行比较分析。分析得到结果分别如图9和图10所示。。

图9 纵截面分析结果

图10 横截面分析结果

通过比较得到比较结果见表1。

表1 2D分析结果 m

为了进一步反映桥面各个细部尺寸之间的变化情况，通过软件提供的“贯穿截面”对两期数据之间的相互尺寸关系进行比较。对桥面数据在YZ平面上截取两个截面。运用“创建2D尺寸”功能对截面上的相关进行计算和比较，如图11和图12所示。

图11 贯穿截面1分析结果

图12 贯穿截面2分析结果

从上面分析可以反映出桥面各面之间的相互关系。在两期数据之间，桥面各相关尺寸特征变化都在允许范围内。综上所述，赵家坝立交试验段桥面处理稳定状态，没有发生变形。

五、结束语

本文主要研究了运用三维激光扫描技术对桥梁进行变形监测，通过建立变形监测控制网，获取桥梁点云数据，经过数据处理和模型建立，进而对桥梁整体变形情况进行分析。通过本文的研究和试验，证明了三维激光扫描技术应用于桥梁变形监测在一定的条件下是可行的，为桥梁变形监测采用新技术提供了理论依据，同时为三维激光扫描技术的发展开辟了新的途径。

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