基于三维扫描技术的高墩桥梁垂直度无接触检测技术研究

徐东风 王江义 关志勇 文培第 孟进

湖北交投建设集团有限公司 湖北 武汉 430000

近年来，随着我国高速公路的建设与发展，在特定地段进行高速公路建设已经成为一种普遍现象，深埋和高架道路项目应运而生。在湖北的西北、西南等地，由于峡谷众多，公路建设往往需要跨越峡谷和江河，因此，高墩桥梁广泛应用于公路建设当中[1]。在高墩桥梁的施工过程中，由于高墩桥梁的桥墩截面形状通常为矩形，且高度通常较高，因此控制桥墩的垂直度，成为施工检测中的一个重要方面[2-4]。为了减少施工过程中的竖向位移误差，无接触式检测正在逐渐成为控制桥墩垂直度的主要方法。

本文在分析已有桥梁高墩柱垂直度测量技术的基础上，研究采用了三维激光扫描技术，该技术可以快速、准确地测量出墩柱的垂直度。不仅可以在短时间内完成高精度的测量，而且能有效地减少测量过程中的误差和误差积累，为高墩桥梁墩柱的垂直度检测提供参考。

1 桥墩垂直度监测的意义

由于经济的快速发展以及政府的投资，高架桥的数量急剧上升，特别是那些横穿山脉、峡谷的高墩大跨桥梁已变得普遍可行[5]。在高墩桥梁的施工中，桥墩的垂直度监测显得尤为重要。

高墩桥梁的桥墩是承载桥梁结构的重要支撑部分，其垂直度的偏差会直接影响桥梁的结构安全和稳定性。在桥梁施工过程中，由于多次施工和施工缝的存在，桥墩的垂直度偏差会逐渐积累。如果不及时监测和控制，这些偏差可能会导致桥梁结构的不均匀受力，进而影响桥梁的使用寿命和安全性。桥墩通常位于自然环境中，其倾斜会影响桥梁的美观性。通过精确的监测和控制，可以及时发现并纠正桥墩的偏斜问题，从而保证桥梁的完整性和美观性。此外，桥墩的垂直度偏差也会对桥梁的安全性产生重要影响，它是承受竖向力的关键部位，如果出现较大的偏差，将会严重损害桥梁的结构稳定性。

为了有效地控制高墩桥的垂直度，在施工过程中必须采取一系列有效的技术措施。其中，无接触桥墩垂直度检测技术可以有效地检测出桥墩的位置变化，从而解决相关问题。该技术通过使用激光测距仪、全站仪等设备，可以实现对桥墩垂直度的高精度测量，准确判断桥墩是否存在垂直度偏差，并及时采取相应的调整和修正措施。

2 桥墩垂直度传统检测技术

研究发现，目前主要的检测高墩垂直度检测技术有三种：垂球法、全站仪三维坐标法以及测斜仪法，都能够提供相对准确可靠的信息，但是各自均存在一定的局限性。桥墩垂直度计算如图1所示。

图1 桥墩垂直度计算示意图

采用垂球法来校准施工中的桥梁墩身,能够明显降低高墩测量的施工误差。将设计桩位的中心坐标精确地测量后，组装成墩柱模板。从墩柱模板的顶部边缘开始，向四周吊起垂球。接着，使用直钢尺持续地测量垂球的垂直距离和模板的顶部和底部之间的距离。同时不停地调整缆风绳，直到模板在所有方向的顶部和底部与垂球垂线的距离误差都在预定的范围内。虽然垂球法的作业相对简单，见效快，但是精度较低，不能满足当前市场对高精度的要求，仅能够粗略的判断该桥墩垂直程度，易被人工操作和自然条件所左右，在刮风的天气情况下，由于垂球受风力影响会来回摇晃，此办法便无法使用。

利用全站仪三维坐标法，可以准确地确认高墩的位置。主要依靠全站仪来检测物体的三个坐标（X、Y、H），包括高墩的水平角、垂直角、倾斜度等，并且可以利用数据来估算物体与地面之间的坐标变化率。结合坐标变换与高程变换，获取三维地面信息。此外，使用该方法还能够精确地控制地面的垂直角和几何形状，同时，通过检查导线控制点验证地面的精确性。采用这种监控技术可能导致施工过程的延误，阻碍项目的完成。

测斜仪法具有高精度、自动化、智能化等优点，能够提高测量效率和质量。在墩柱浇筑过程中，将一根由桥墩底至桥墩顶部的侧斜管埋入混凝土中，在埋设侧斜管时，应使其位于各墩断面同一位置。然后，利用与之相配的倾斜计滑入侧斜管内，使用数字垂直活动测斜仪探头，控制电缆，滑轮装置和读数仪来观测测斜管的变形以测定桥墩垂直度。然而，测斜仪法存在一些局限性。测斜仪容易损坏或堵塞，且灵敏度过高，导致测量结果误差较大。此外，测斜管的误差也可能来自于施工过程中的混凝土挤压。测斜仪法通常适用于较小高度的桥墩，对于较高的桥墩可能存在一定的限制，测斜管的造价较高，使用成本高，故此方法正在逐渐减少使用。

综上，现有的桥墩垂直度检测技术精度还比较低，对施工质量以及速度存在一定的影响，需要进行改进和提高，以达到更高的检测精度要求。在此背景下，急需一种新的桥墩垂直度检测方法。

3 桥墩垂直度无接触快速检测技术原理

经过深入研究，目前几种常用的接触式桥梁垂直度检查技术都具备一定的局限性，它们的检验结果往往不够准确，因此采用一种新兴的检查技术，以取代目前的检查技术。

随着三维激光扫描技术的迅猛发展，为测量带来了前所未有的改革，特别是采用三维激光扫描仪来实现无接触的桥梁检查，不仅能够显著加快检查的效率，而且获取的点云数据精度较高，可以更好地满足桥墩垂直度测量的精度要求。三维激光扫描是一项新兴测绘技术，它借助激光的反射对被测物进行完整的空间扫描，通过软件建立模型，获得空间信息及被测物的三维模型，且具有实时性强、数据量大、数字性强、交互性好等优点。

为了全面获取桥墩表面的信息，需要选择合适的测点位置。通常需要在桥墩表面设置多个测点，覆盖整个桥墩表面，同时要避免测点之间的相互干扰。测点的布置需要考虑桥墩的形状和尺寸，以及测量需求等因素。为了提高检测精度，常将测点数目设置为多于3个，对于矩形桥墩，通常在其顶面和侧面等区域设置测点。在桥墩施工控制区外部布设控制点，并将三维激光扫描仪架设在控制点上，建立空间坐标系，对承台及墩柱周边各测点进行测量。采用同一测点在不同高程上（除高程外，其水平坐标完全一致的，但在实际检验中，可能会因仪器检测误差或资料分析等因素而产生一些误差，这个误差在容许范围之内），来判断桥墩的垂直度。

在诸多桥墩垂直度检测的方法中，三维激光扫描技术难点主要有以下几个方面：

1）桥墩表面复杂：桥墩的形状、表面结构以及材料等因素可能对扫描结果产生影响，使得点云数据的处理和分析变得复杂。例如，桥墩表面的凹凸不平、纹理、反光等特征可能干扰点云数据的采集和提取。

2）大仰角测量困难：在桥梁检测中，由于桥墩较高，采用全站仪进行大仰角测量可能会比较困难，从而影响垂直度的计算结果。而三维激光扫描技术虽然可以获取桥墩表面的点云数据，但在大仰角测量时也可能因为光线折射、反射等原因导致测量误差较大。

3）激光束定位问题：在利用三维激光扫描技术进行桥墩垂直度测量时，激光束的定位精度对测量结果有着重要影响。由于环境因素（如风、雨等）和设备因素（如激光器老化、仪器误差等）的影响，激光束的定位精度可能会受到影响，从而影响垂直度的计算结果。

4）点云数据处理困难：三维激光扫描技术可以快速获取桥墩表面的点云数据，但点云数据处理和分析过程较为复杂。例如，点云数据中可能存在噪声和冗余数据，需要进行滤波和平滑处理；同时，还需要根据实际需要提取桥墩表面的特征信息，并采用合适的算法和技术进行垂直度计算。

4 基于三维激光扫描技术的垂直度分析

利用三维激光扫描仪，对高墩进行预设的全方位扫描，获取相应的点云数据，在实际应用过程中，由于环境噪声及仪器自身存在的误差，会使三维激光扫描的结果产生偏差。为此，必须先对高墩数据进行点云去噪、点云滤波、点云校准等预处理过程，以便获取同一坐标下高墩数据的详细信息。具体技术路线如图2所示。

图2 技术路线

点云数据采集的准确性受环境因素、测点选取和仪器等因素的影响，为确保点云的精确性，在扫描时，应该注意以下几点：

1）避免环境因素的影响：扫描环境区域内的光线、风力、温度等都会对扫描数据的质量产生影响。在选择扫描时间和地点时，要尽量避免不利环境因素的影响。

2）测站的选择：测站的位置和高度也会影响扫描数据的精度。在选择测站时，要尽量选择平坦、开阔、无遮挡的位置，同时也要考虑测站的高度，以避免因高度不足而产生的遮挡和视角误差，保持各个相邻测站之间拥有20%到30%的重叠度，重叠度过高则数据冗余，数据分析速度降低。

3）扫描参数的设置：在设置扫描参数时，要尽量选择合适的分辨率、扫描范围、点云间距等参数，以达到最佳的扫描效果。

4）数据处理和分析：获取的点云数据需要进行数据处理和分析。在这个过程中，需要注意数据的拼接和处理方法，以及可能出现的噪声和异常数据的处理。

获取桥墩的点云数据，数据预处理后，进行高墩垂直度计算。根据高墩相对于垂直方向的倾斜角度θ，垂直度可用正切值来表示：

本文在分析桥墩垂直度时，暂时忽略了点云本身的处理过程对其产生的影响。由于桥墩高度一般超过10m，若将其作为一个整体进行拟合，则拟合后的点云将与实测结果有很大差异，从而影响了建模的准确性和速度。为此，一般采用多层次的分段拟合算法。在获得各层薄片的中心坐标之后，拟合出桥墩的中心线，以中心坐标为基准计算桥墩的垂直度。利用Topo DOT软件进行相关的点云数据处理，该软件具有三个模块，包括数字高程模型（DEM）模块和三维模型模块等。在处理过程中，利用数字高程模型模块中的平面切割功能，从桥墩的底部开始，自下而上按一米间距、切片厚度五厘米进行分层切割处理，通过三维模型模块对每层切片进行长方体模型建模。根据每层切片的模型，可获得切片的中心坐标，并利用最小二乘法对桥墩中心曲线进行拟合。

通过计算桥墩中心线，我们可以得到桥墩中心的垂直度。具体的计算步骤如下：

(1)将点云数据按Z方向切割，并将其切割成多段点云，即图3(a)到图3(b)的过程。

图3 中心线计算示意图

(2)以具有最小Z值的XY平面为模型投影对象，投影各段点云，如图3(c)所示。

(3)以投影后的点云数据作为该区段的轮廓线，对其进行点云切割处理，利用随机抽样一致性方法（RANSAC）进行数据拟合，获得代表桥墩截面各条边的直线点云。

(4)由两条直线的交点确定截面的中心点位置，如图3(e)所示。

(5)在点云剖面上对点进行直线拟合，即可获得相应的中心曲线，其中计算得出的方向向量为m，方向向量与垂直方向上的单位向量=(0，0，1)之间的夹角为θ，则tanθ的值即为高墩立面的垂直度。

5 结语

由于桥墩施工技术和场地等因素的限制，不管是哪一种方法都无法获得准确的结果。在实际项目中，选取一段固定的观测截面，每一期对同一部位进行观测，对比该部位的垂直度变化情况，更有参考价值。本文在已有的桥墩垂直度检测技术研究基础上，剖析其优缺点，介绍一种基于三维激光扫描仪的高墩桥梁垂直度测量方法，并介绍了中心曲线计算桥墩垂直度的方法，为桥墩垂直度测量提供参考。