史永宏

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030021）

三維激光掃描技術(shù)是工程測量的一大突破，具有“復(fù)現(xiàn)”功能，能夠同時采集X，Y，Z三方向坐標(biāo)和坐標(biāo)點(diǎn)的RGB顏色信息。既可以根據(jù)二維CAD圖和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成模擬三維模型，又可以基于現(xiàn)場采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成計(jì)算機(jī)三維效果圖，可實(shí)時查看實(shí)際施工與施工設(shè)計(jì)差別，從而有效避免各類不規(guī)范施工帶來的質(zhì)量隱患。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為橋梁施工全過程中不可缺少的一部分，各企業(yè)成立專業(yè)化管理團(tuán)隊(duì)為整個施工保駕護(hù)航，然而，拱橋施工的步驟十分繁瑣，應(yīng)力分析要求高，各部件精度要求也非常高，三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用仍存在一些難點(diǎn)。為了解決現(xiàn)有的三維激光掃描難點(diǎn)，從三維激光掃描的基本工作流程入手，詳細(xì)闡述了發(fā)揮三維激光掃描作用的應(yīng)用要點(diǎn)。

1 橋梁施工內(nèi)容的概述

此項(xiàng)目是鋼管混凝土拱橋，全長280.6m，寬16m，拱肋總高5.50m，總寬2.15m，拱上橫撐共計(jì)10道，全部采用K字型，間距30m。在施工過程中，拱肋采用“以直代曲”的分段鋼管組裝安置，每段鋼管全部在工廠拼接完成進(jìn)行現(xiàn)狀起吊安裝，而后，進(jìn)行橋板鋪設(shè)，完成拱橋兩端的對接。為了保障以上橋梁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)尺寸、位置的一致性，需在施工全程進(jìn)行三維激光掃描定位，在監(jiān)測平臺進(jìn)行橋梁部件的位置偏移分析和應(yīng)力變化。整個過程以Robot和Revit兩個處理軟件為主，對施工各階段多次現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行自動化處理，從橋梁施工進(jìn)程和部件形變兩個方面，實(shí)現(xiàn)為橋梁施工全過程提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息支持。

2 三維激光掃描技術(shù)的基本工作流程

三維激光掃描是繼GPS技術(shù)后的測量方式的重大創(chuàng)新，能夠精確判斷橋梁各部位的變形情況。靈活、簡易的操作設(shè)備能夠收集到橋梁施工現(xiàn)場各個位置的數(shù)據(jù)信息，形成位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫，再經(jīng)內(nèi)業(yè)軟件處理，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)平臺上場景復(fù)現(xiàn)，其基本工作流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)的基本工作流程

2.1 現(xiàn)場采集

現(xiàn)場采集處于數(shù)據(jù)產(chǎn)生階段，是對施工進(jìn)度中各個施工場景的統(tǒng)稱。在基坑和樁基施工階段，需要收集基坑抽水、鋼筋安裝等數(shù)據(jù)；在墩臺施工階段，收集墩臺身和墩臺冒的定位信息；在拱肋搭建和合攏施工階段，需要監(jiān)測整個搭建過程各部件形變；在橋面鋪設(shè)階段，收集好橋梁沉降數(shù)據(jù)。每個現(xiàn)場都需要全面、準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)，否則便會影響到后期的信息處理判斷。

2.2 數(shù)據(jù)輸出與處理

掃描到的數(shù)據(jù)是帶有顏色信息的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，與全站儀、水準(zhǔn)儀所測數(shù)據(jù)相比，此數(shù)據(jù)包含的信更多，需采用配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。但是，原始數(shù)據(jù)量大、冗雜信息多、各場景起始坐標(biāo)不一致等問題，需要采用數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去燥、數(shù)據(jù)精簡等步驟才能進(jìn)入到智能化的監(jiān)測系統(tǒng)。由于橋梁各個場景的部件尺寸、形狀差異化明顯，數(shù)據(jù)處理的方式存在著一定的差異，需要進(jìn)行分批處理。

2.3 生成三維模型

在Robot和Revit兩個內(nèi)業(yè)處理軟件的支撐下，三維激光掃描數(shù)據(jù)與施工設(shè)計(jì)的CAD圖便能夠疊加在一起，直觀顯示出實(shí)際施工與施工設(shè)計(jì)之間的差異。與以往的測量結(jié)果不同，多個場景的模擬還原能夠幫助施工管理者從施工進(jìn)度、施工工序、橋梁形變等方面看到施工存在的問題，及時做出施工調(diào)整，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)后期補(bǔ)救方法的不足。

2.4 模型分析應(yīng)用

模型分析應(yīng)用是發(fā)揮三維激光掃描技術(shù)價值的核心步驟。根據(jù)BIM處理技術(shù)的現(xiàn)有功能，可通過計(jì)算機(jī)處理得到橋梁施工現(xiàn)場任意方向的截面圖；可得到時差序列上同一區(qū)域的施工變化來分析施工進(jìn)度；可得到時差序列上同一位置的橋梁形變，探索橋梁變形規(guī)律。這些處理成果都能夠快速實(shí)現(xiàn)，且精度比以往的傳統(tǒng)測量還要高出許多。

3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)減低了測量從業(yè)人員的現(xiàn)場采集工作量，同時，增加了數(shù)據(jù)處理的工作量。為了能夠向橋梁施工管理者提供正確、高精度的處理結(jié)果，仍需要把握住三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，做好細(xì)節(jié)處理工作，分以下幾點(diǎn)進(jìn)行闡述：

3.1 施工現(xiàn)場測點(diǎn)布置的應(yīng)用要點(diǎn)

橋梁施工雖然具有多個階段，每個階段都需要進(jìn)行觀測，但墩臺頂施工和拱肋安裝兩個施工現(xiàn)場往往因結(jié)構(gòu)連續(xù)體系的影響產(chǎn)生遮擋部分、遮擋點(diǎn)，給后期的三維模型擬合精度造成巨大影響，有必要做好施工現(xiàn)場的測點(diǎn)布置。一是形成多截面交叉測點(diǎn)網(wǎng)。當(dāng)掃描對象周圍布滿輔助鋼管支架時，將其分為4～6個截面，并分上、中、下三個部分進(jìn)行掃描，避免出現(xiàn)大面積的露點(diǎn)；二是每次保留固定區(qū)域點(diǎn)，如：標(biāo)靶。多場景擬合形成時間序列圖時可根據(jù)固定區(qū)域點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)同空間的施工比較；三是提高掃描精度，采用分辨率為 1：1、質(zhì)量為 4×等參數(shù)，對測點(diǎn)25m距離內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行密集掃描，收集到各部件細(xì)節(jié)。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

一般而言，掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套軟件后進(jìn)行一鍵操作，得到精簡后的數(shù)據(jù)結(jié)果，但橋梁施工的三維數(shù)據(jù)則需要根據(jù)具體施工現(xiàn)場選擇對應(yīng)的處理方法，避免數(shù)據(jù)稀疏度高而損失精度信息。一是基于標(biāo)靶進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。因標(biāo)靶在每次測量中都位置保持不動，軟件便可根據(jù)多次中共有的標(biāo)靶坐標(biāo)完成坐標(biāo)系的統(tǒng)一；二是剔除數(shù)據(jù)噪聲。觀測到的施工人員、施工設(shè)備以及臨時施工材料都進(jìn)行目視解譯剔除，降低噪聲數(shù)據(jù)的干擾；三是根據(jù)施工部件分類簡化。采用八叉樹算法，對部件形狀變化小的進(jìn)行高度精簡，包括：橋板面、墩臺頂面；對形狀變化劇烈、結(jié)構(gòu)精細(xì)的部件進(jìn)行輕度簡化，包括：拱肋分段鋼管、橫撐等。

3.3 BIM技術(shù)生成三維模型的應(yīng)用要點(diǎn)

主流的BIM技術(shù)軟件為Robot和Revit，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)擬合功能，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)自動擬合。為了達(dá)到橋梁施工的精度要求，還需要選擇合適的擬合算法，否則會大大降低實(shí)用性能。一是深度去燥。通過過濾器設(shè)置距離、偏移角度、顏色信息差異等參數(shù)信息，在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，對每個區(qū)域選擇性去燥；二是數(shù)據(jù)擬合。將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，以插值擬合的方式形成點(diǎn)云面，糾正空間性擬合偏差和明顯錯誤；三是生成三維模型。以點(diǎn)云面積為基礎(chǔ)進(jìn)行“點(diǎn)”到“面”的轉(zhuǎn)化，通過預(yù)覽窗查看三維模擬效果，對其色彩、比例、顯示方式等參數(shù)進(jìn)行修改，以達(dá)到橋梁施工可視化要求。

4 結(jié)語

通過對鋼筋混凝土拱橋全過程中三維激光掃描的基本工作流程分析后，列出了各個步驟下的應(yīng)用要點(diǎn)。此方法能夠改變傳統(tǒng)測量“后知后覺”的監(jiān)測弊端，且速度快、測點(diǎn)多、三維模擬處理效果好，擴(kuò)大了測量工作的服務(wù)范疇，是未來橋梁工程測量的主要發(fā)展方向之一。