黃承亮

(重慶市勘測(cè)院，重慶400020)

一、引 言

三維激光掃描技術(shù)被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它能夠快速、全面、海量地獲得原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完整高精度地重建被測(cè)實(shí)體。在橋梁變形監(jiān)測(cè)方面，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法是通過連續(xù)和定期的單點(diǎn)觀測(cè)，對(duì)多期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，完成對(duì)橋梁安全性的確定，但是在對(duì)橋梁整體變形或任意位置的變形情況無法準(zhǔn)確獲取。三維激光掃描技術(shù)憑借其獨(dú)特的數(shù)據(jù)獲取方式，方便、快速、全面地獲取變形體物表面的三維數(shù)據(jù)，掃描精度均勻、密度高，可以很明顯地反映出物體表面的細(xì)節(jié)變化，便于整體從形態(tài)上分析和評(píng)價(jià)變形。因此在橋梁變形監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文針對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)精度要求高的特點(diǎn)，提出并設(shè)計(jì)了橋梁變形監(jiān)測(cè)方案，采用建立精密控制網(wǎng)作為三維激光掃描的基準(zhǔn)，輔助三維激光掃描提高測(cè)量精度，并通過試驗(yàn)研究分析了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法。

二、三維激光掃描儀和相關(guān)軟件介紹

1．三維激光掃描儀

本文采用的是是奧地利RIEGL公司的最新一代激光掃描儀，VZ-1000三維激光掃描儀。該儀器由高精度、長距離三維激光掃描儀和高分辨率的數(shù)碼相機(jī)組成。VZ-1000三維激光掃描儀最遠(yuǎn)掃描距離可到1400 m，測(cè)量精度優(yōu)于5 mm，建模精度優(yōu)于2 mm。

2．相關(guān)軟件介紹

(1)RiSCAN PRO

RiSCAN PRO是三維激光掃描儀VZ系列的自帶軟件。用戶可以用RiSCAN PRO軟件配置傳感器參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存檔等操作。

(2)Geomagic Studio

由美國Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件Geomagic Studio可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。Geomagic Studio可根據(jù)任何實(shí)物零部件自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型。

(3)Geomagic Qualify

Geomagic Qualify是由美國Geomagic公司提供的一款快速檢測(cè)軟件。通過這個(gè)軟件可以準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)到CAD三維數(shù)字參考模型與實(shí)際構(gòu)造部件之間的尺寸誤差，并自動(dòng)地將這種比較的結(jié)果差異以直觀、易懂的色譜圖形式來顯示出來。除此之外，它還可以進(jìn)行形位誤差的比較、評(píng)估等。該軟件還會(huì)將檢測(cè)到的尺寸誤差、形位誤差等結(jié)果，以報(bào)告的形式呈現(xiàn)出來。

三、橋梁監(jiān)測(cè)方案與數(shù)據(jù)處理

本文根據(jù)Riegl VZ1000三維激光掃描儀的特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)處理軟件的功能，設(shè)計(jì)了變形監(jiān)測(cè)方案，包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分，如圖1所示。

圖1 橋梁監(jiān)測(cè)方案與數(shù)據(jù)處理

1．控制網(wǎng)建立于數(shù)據(jù)采集

獲取高質(zhì)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)要從距離、角度等方面入手，在控制網(wǎng)布設(shè)過程中要注意以下3個(gè)方面:①控制點(diǎn)之間的間距控制在100 m以內(nèi)且通視良好;②控制點(diǎn)到掃描目標(biāo)距離控制在50 m以內(nèi);③網(wǎng)形布設(shè)要符合常規(guī)布設(shè)要求。

使用GPS和高精度全站儀進(jìn)行控制網(wǎng)測(cè)量，利用GPS獲取基準(zhǔn)點(diǎn)的空間大地坐標(biāo)，利用高精度全站儀獲取均勻分布在橋梁周圍的控制點(diǎn)坐標(biāo)?？刂凭W(wǎng)的作用是:①可以將橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)由自由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到空間大地坐標(biāo)系中;②在三維激光掃描過程中將控制點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)架設(shè)標(biāo)靶或三維激光掃描儀。

采用Riegl VZ1000三維激光掃描儀獲取橋梁實(shí)體的三維坐標(biāo)，掃描過程依據(jù)其配套軟件RiSCAN PRO的功能，可以采用兩種掃描方法:①將儀器架設(shè)在控制點(diǎn)上并進(jìn)行對(duì)中整平，將標(biāo)靶架設(shè)在后視控制點(diǎn)上進(jìn)行定向，然后掃描，多站測(cè)量也是如此，這樣掃描的多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)不需要配準(zhǔn)，均在控制網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下的大地坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，掃描精度取決于控制網(wǎng)精度以及掃描時(shí)的誤差影響;②將標(biāo)靶架設(shè)在控制點(diǎn)上，掃描儀任意架站，每連續(xù)不同兩站有相同的標(biāo)靶作為同名點(diǎn)，掃描結(jié)束后可以依據(jù)RiSCAN PRO數(shù)據(jù)處理軟件將控制點(diǎn)坐標(biāo)加入到標(biāo)靶擬合中心點(diǎn)上，采用后方交會(huì)將測(cè)站點(diǎn)計(jì)算并轉(zhuǎn)入大地坐標(biāo)系統(tǒng)中。

2．橋梁變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用三維激光掃描儀獲取橋梁體點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，必須要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為后續(xù)的變形分析與提取變量作好必要準(zhǔn)備，原因如下:首選，橋梁是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，掃描時(shí)必須要多站掃描，點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)也必須進(jìn)行;其次，在掃描過程中難免會(huì)有冗余數(shù)據(jù)、噪聲等雜點(diǎn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、縮減也是數(shù)據(jù)處理的重要步驟。

3．橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形分析方法

三維激光掃描獲取橋梁數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理配準(zhǔn)完成后的變形分析、變形提取工作是變形監(jiān)測(cè)的核心。變形量的分析和提取的質(zhì)量好壞直接影響著變形監(jiān)測(cè)的預(yù)測(cè)與防護(hù)。三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是全面的整體數(shù)據(jù)，但是單點(diǎn)定位的精度并沒有傳統(tǒng)測(cè)量方法精度高，而其表面建模精度卻很高，這個(gè)優(yōu)勢(shì)很明顯。在橋梁構(gòu)筑物特征明顯的部位，通過對(duì)橋梁構(gòu)筑物表面掃描的點(diǎn)云進(jìn)行建模分析，可以一定程度上反映出橋梁下沉、傾斜、表面損壞等情況。本文主要運(yùn)用第三方點(diǎn)云處理軟件對(duì)橋梁建立三維模型，并通過檢測(cè)軟件對(duì)每期模型之間的變化進(jìn)行分析和提取。

(1)基于Geomagic Studio建立點(diǎn)云三維模型

Geomagic Studio軟件點(diǎn)云建模包括3個(gè)階段:點(diǎn)階段、三角形階段和曲面階段。

在點(diǎn)階段首先對(duì)導(dǎo)入點(diǎn)云進(jìn)行著色處理，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示更加直觀和立體，方便后續(xù)的處理;然后通過“體外孤點(diǎn)”命令對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中遠(yuǎn)離整體點(diǎn)云的進(jìn)行選擇和刪除;運(yùn)用“減少噪音”命令將點(diǎn)移至統(tǒng)計(jì)的正確位置以彌補(bǔ)掃描儀誤差，通過“減少噪音”處理可以減少點(diǎn)云的噪聲點(diǎn)并且使點(diǎn)云排列更加平滑;最后通過點(diǎn)云抽稀功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，該功能按照曲率變化進(jìn)行抽稀，在曲率變化大的位置會(huì)保留較多的點(diǎn)，在曲率變化小的位置保留較少的點(diǎn)，這樣既能抽稀更多的點(diǎn)也能保留更多的點(diǎn)云特征。

在三角形階段，軟件將點(diǎn)云構(gòu)建物空間三角網(wǎng)模型。在三角形階段軟件會(huì)通過填充、裁剪、雕刻、松弛、刪除釘狀物等功能使三角網(wǎng)模型更接近于真實(shí)建筑模型。

在曲面階段，軟件會(huì)將三角形模型通過構(gòu)造生成NURBS曲面，并且可以將曲面以其他軟件格式輸出。

在變形監(jiān)測(cè)分析中，只需要物體的三角網(wǎng)模型，因此在橋梁建模中只需要建立質(zhì)量好的表面三角網(wǎng)模型。具體建模過程將在實(shí)例分析中闡述。

(2)基于Geomagic Qualify分析三維模型變形

由于Geomagic Qualify具有較強(qiáng)的模型分析和對(duì)比功能，因此在變形監(jiān)測(cè)中可以運(yùn)用該軟件強(qiáng)大的分析功能對(duì)每期數(shù)據(jù)之間的變化進(jìn)行提取。運(yùn)用Geomagic Qualify軟件的3D分析功能，可以對(duì)兩次數(shù)據(jù)模型之間的整體變形情況進(jìn)行比較，并通過色譜圖的形式進(jìn)行顯示。運(yùn)用Geomagic Qualify軟件的2D分析功能，可以在數(shù)據(jù)的任意位置作橫截面，比較橫截面位置處兩個(gè)模型的變化情況。運(yùn)用Geomagic Qualify軟件貫穿對(duì)象截面功能，可以對(duì)該截面下模型之間的特征關(guān)系進(jìn)行分析，如長度、夾角、半徑等。Geomagic Qualify軟件提供了全自動(dòng)化的報(bào)表功能，可以將分析得到的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的報(bào)告進(jìn)行輸出。

四、實(shí)例分析

1．控制網(wǎng)布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

本文選擇趙家壩立交一段作為試驗(yàn)對(duì)象。通過對(duì)蘇家壩立交現(xiàn)場勘查，為了獲取試驗(yàn)段的橋梁數(shù)據(jù)，在立交四周布設(shè)了4個(gè)控制點(diǎn)，各控制點(diǎn)采用GPS進(jìn)行平面測(cè)量，采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量，控制點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 控制網(wǎng)

分別在控制點(diǎn)ZPJ3和ZPJ4上架設(shè)掃描儀;在控制點(diǎn)ZPJ1和ZPJ2上架設(shè)標(biāo)靶，控制點(diǎn)ZPJ1作為后視定向點(diǎn)，控制點(diǎn)ZPJ2作為檢校點(diǎn)。掃描時(shí)采用的點(diǎn)云分辨率為0．03 m，在掃描同時(shí)對(duì)立交進(jìn)行了影像采集，掃描完成后對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。共對(duì)趙家壩立交試驗(yàn)段進(jìn)行了兩期掃描。

2．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理

通過掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。將控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入RiSCAN PRO軟件，由于進(jìn)行了兩站掃描因此需要對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。首先運(yùn)用軟件的Backsighting orientation功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到在大地坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù);然后運(yùn)用軟件的Multi Station Adjustment功能對(duì)兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)拼接，通過拼接最終得到試驗(yàn)段的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其拼接精度為2 mm。

圖3 拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

由于在掃描過程中存在許多的雜點(diǎn)和多余數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行刪除，采用人機(jī)交互方式對(duì)多余點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，得到立交試驗(yàn)段的獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示。

3．點(diǎn)云建模

將橋面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio點(diǎn)云處理軟件中，并應(yīng)用“著色點(diǎn)”功能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行著色，得到效果如圖5所示。通過“體外孤點(diǎn)”功能對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)選擇，并進(jìn)行刪除。運(yùn)用“減少噪音”功能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理，使點(diǎn)云更加平滑。并通過點(diǎn)云統(tǒng)一采樣功能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行抽稀，采用0．04 m的采樣間隔。并將曲率優(yōu)先調(diào)整到最大，得到抽稀后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖6所示。從圖6中可以看出在點(diǎn)云抽稀同時(shí)物體的輪廓特征得到了較好保留。完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理后，運(yùn)用“封裝”功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，得到三角網(wǎng)模型，如圖7所示。

圖4 試驗(yàn)段獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖5“著色點(diǎn)”橋面數(shù)據(jù)

圖6 點(diǎn)云抽稀結(jié)果

圖7 三角網(wǎng)模型

4．變形分析

將趙家壩立交試驗(yàn)段橋面兩期模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件中，并將第1期數(shù)據(jù)設(shè)置為參考數(shù)據(jù)，將第2期數(shù)據(jù)設(shè)置為測(cè)試數(shù)據(jù)。運(yùn)用“3D比較”功能對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。

圖8 3D分析結(jié)果

通過3D分析，得到兩個(gè)模型之間的最大偏差為+0．0206/－0．0950 m;平均偏差為+0．0011/－0．0011 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．001 4 m。圖中可得出最大偏差出現(xiàn)在模型邊緣，并沒有出現(xiàn)在模型中不，因此可以看出兩期模型沒有發(fā)生較大變化。

在3D分析結(jié)果基礎(chǔ)上運(yùn)用軟件提供2D比較功能，在橋面上分別截取一個(gè)橫截面和縱截面，對(duì)兩個(gè)截面上的兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。分析得到結(jié)果分別如圖9和圖10所示。。

圖9 縱截面分析結(jié)果

圖10 橫截面分析結(jié)果

通過比較得到比較結(jié)果見表1。

表1 2D分析結(jié)果 m

為了進(jìn)一步反映橋面各個(gè)細(xì)部尺寸之間的變化情況，通過軟件提供的“貫穿截面”對(duì)兩期數(shù)據(jù)之間的相互尺寸關(guān)系進(jìn)行比較。對(duì)橋面數(shù)據(jù)在YZ平面上截取兩個(gè)截面。運(yùn)用“創(chuàng)建2D尺寸”功能對(duì)截面上的相關(guān)進(jìn)行計(jì)算和比較，如圖11和圖12所示。

圖11 貫穿截面1分析結(jié)果

圖12 貫穿截面2分析結(jié)果

從上面分析可以反映出橋面各面之間的相互關(guān)系。在兩期數(shù)據(jù)之間，橋面各相關(guān)尺寸特征變化都在允許范圍內(nèi)。綜上所述，趙家壩立交試驗(yàn)段橋面處理穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生變形。

五、結(jié)束語

本文主要研究了運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，通過建立變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，獲取橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和模型建立，進(jìn)而對(duì)橋梁整體變形情況進(jìn)行分析。通過本文的研究和試驗(yàn)，證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于橋梁變形監(jiān)測(cè)在一定的條件下是可行的，為橋梁變形監(jiān)測(cè)采用新技術(shù)提供了理論依據(jù)，同時(shí)為三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑。

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