趙治國

（河北京石高速公路開發(fā)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

影像掃描技術(shù)具有精度高、速度快、測(cè)程遠(yuǎn)、易操作等優(yōu)勢(shì)，除了在地形測(cè)量、礦山測(cè)量等傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用外，在高速公路橋梁檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣闊。本文將分析影像掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法，并在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將影像掃描技術(shù)在京石高速公路橋梁檢測(cè)中應(yīng)用。

1 影像掃描技術(shù)的特點(diǎn)

影像掃描儀將傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量功能與現(xiàn)在三維掃描技術(shù)、近景攝影測(cè)量技術(shù)相互結(jié)合，兼具全站儀與掃描儀的功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)棱鏡的自動(dòng)鎖定和跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)單人進(jìn)行測(cè)量作業(yè)工作，極大地提高了作業(yè)效率。

（1）與傳統(tǒng)檢測(cè)方法對(duì)比，該方法精確度更高，距離測(cè)量精度更優(yōu)。

（2）靈活度更好。地面墩臺(tái)直接架設(shè)儀器即可掃描拍照，省去高空作業(yè)、高速公路設(shè)置障礙麻煩，持操控手簿在車?yán)锛纯蓲呙枇繙y(cè)。而傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方式較為笨拙，靈活性較差。

（3）作業(yè)更簡單易行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用全站儀功能實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量方法靈活應(yīng)用，易學(xué)易用。

（4）作業(yè)效率更高。內(nèi)業(yè)處理效率提升一倍以上。

（5）外業(yè)可直接出成果，也可把數(shù)據(jù)傳回辦公室出成果，且外業(yè)點(diǎn)云可在外業(yè)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，方便一線人員及時(shí)檢查數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢查，有遺漏或數(shù)據(jù)異常的，可實(shí)時(shí)調(diào)整，符合基本調(diào)查流程規(guī)范要求。數(shù)據(jù)可存檔，可矢量化。

2 影像掃描的數(shù)據(jù)采集

（1）閃電3DM技術(shù)

閃電3DM 技術(shù)是高精度測(cè)量和高速掃描能力的技術(shù)保障，依靠這一技術(shù)的影像掃描儀可以實(shí)現(xiàn)單一儀器在捕獲高精度的全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)的同時(shí)，進(jìn)行高速3D影像掃描，儀器性能更為穩(wěn)定。

影像掃描儀測(cè)量速度快、效率高，測(cè)量速度最高可達(dá)26 600 點(diǎn)/s，測(cè)程可達(dá)600m。利用捕獲點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)配準(zhǔn)到測(cè)量工作流中。從所設(shè)測(cè)站獲取全穹頂掃描或僅是對(duì)某個(gè)區(qū)域進(jìn)行選取掃描，采集的所有信息都將完整地進(jìn)入到測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)中，與以往測(cè)量數(shù)據(jù)直接連接。

（2）Trimble VISION（望遠(yuǎn)鏡相機(jī)）技術(shù)

望遠(yuǎn)鏡相機(jī)遠(yuǎn)距離獲取局部細(xì)節(jié)信息，最大可放大84 倍，1km 外物體清晰可見。外業(yè)作業(yè)完成的質(zhì)檢工作是整個(gè)作業(yè)流程中的重要一環(huán)，該技術(shù)可以提供現(xiàn)場(chǎng)影像資料，保留原始資料，便于作業(yè)人員進(jìn)行自檢及后期檢查。現(xiàn)場(chǎng)工作人員也可以通過照片查找裂縫，現(xiàn)場(chǎng)直接量測(cè)裂縫。針對(duì)微小的裂縫，可以直觀明了地在手簿上查看、掃描、量測(cè)，所有照片配合點(diǎn)云可以實(shí)現(xiàn)1∶1量測(cè)，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，S型、曲線型等裂縫類型都可以在軟件中直接畫出，便于統(tǒng)計(jì)尺寸和面積，數(shù)據(jù)以電子文檔保存，方便調(diào)用和查詢。

全站儀式的架站方式、導(dǎo)線式工作流，可真正實(shí)現(xiàn)多站數(shù)據(jù)的誤差控制，減少架站數(shù)據(jù)間誤差的不斷累積。用符合測(cè)量人的工作流程規(guī)范，控制獲取到的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

儀器本身精度根據(jù)儀器對(duì)目標(biāo)物體的距離遠(yuǎn)近、反射面的反射程度不同而有差異，但均能滿足0.1～10mm 的精度要求。自動(dòng)獲取點(diǎn)云真實(shí)坐標(biāo)，無需點(diǎn)云拼接，無需坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。選區(qū)式靈活的掃描模式方便獲取特定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，減少冗余數(shù)據(jù)。采用非接觸測(cè)量模式，有利于保護(hù)被測(cè)物體，無需埋點(diǎn)，節(jié)省資金和時(shí)間，減少了安置反射標(biāo)志帶來的安全隱患。

3 影像掃描的數(shù)據(jù)處理

影像掃描技術(shù)能夠嵌入客戶現(xiàn)有的行業(yè)技術(shù)工作流，也可以完善和改進(jìn)傳統(tǒng)作業(yè)模式。依靠操作簡便的專業(yè)軟件，方便用戶進(jìn)行外業(yè)智能定點(diǎn)放樣；依托功能強(qiáng)大的專業(yè)軟件，整合客戶所有測(cè)繪儀器的數(shù)據(jù)處理流程，不僅局限于影像掃描儀。專業(yè)軟件的一鍵式操作模式，極大簡化了用戶學(xué)習(xí)過程，降低用戶學(xué)習(xí)成本，同時(shí)為用戶增加了業(yè)務(wù)范圍和可能。

（1）TA智能操控技術(shù)

影像掃描儀顛覆了傳統(tǒng)作業(yè)人員接觸式操作儀器的工作方式，依托強(qiáng)大的MagDrive （磁驅(qū)技術(shù)），使用TA（Trimble Access）數(shù)據(jù)庫軟件遠(yuǎn)程連接儀器，在手簿上輕松實(shí)現(xiàn)外業(yè)的所需的所有操作，在外業(yè)惡劣殘酷的環(huán)境下，為作業(yè)人員提供方便。

在TA 中不僅可以進(jìn)行手勢(shì)控制、代碼測(cè)繪、散點(diǎn)測(cè)量、坐標(biāo)計(jì)算，在放樣過程中還能實(shí)時(shí)顯示影像或地圖，必要情況下的簡單距離和面積計(jì)算也可在外業(yè)實(shí)時(shí)進(jìn)行。

（2）高效的數(shù)據(jù)處理軟件

全面綜合并可擴(kuò)展的工具套件，能夠用于各種地理空間業(yè)務(wù)，可充分挖掘GNSS 測(cè)量數(shù)據(jù)的潛力，配有靈活的選項(xiàng)以及功能強(qiáng)大的可視工具和建模工具。GNSS 基線處理和RTK 數(shù)據(jù)處理高效快速，全面支持GNSS 觀測(cè)。支持全站儀、水準(zhǔn)儀和空間測(cè)站儀的光學(xué)設(shè)備的數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、平差及其他處理快速準(zhǔn)確的表面建模、各種通道模型設(shè)計(jì)和計(jì)算，用于創(chuàng)建和導(dǎo)出圖形的要素代碼處理，支持Trimble Geomatics Office 工程文件的導(dǎo)入。Trimble Business Center 軟件能夠自動(dòng)識(shí)別GNSS 文件格式和常規(guī)的全站儀和數(shù)字水準(zhǔn)儀等測(cè)量數(shù)據(jù)文件格式，支持導(dǎo)入帶非標(biāo)準(zhǔn)格式的ASCII 文件，支持自動(dòng)的互聯(lián)網(wǎng)下載與項(xiàng)目相關(guān)的精密數(shù)據(jù)等。軟件可以導(dǎo)出各種用戶需要的測(cè)量數(shù)據(jù)和自定義數(shù)據(jù)?？煽焖偬幚盱o態(tài)基線，處理速度是Trimble Geomatics Of?fice 軟件的10 倍以上，能處理GPS 的L1/L2/L5 以及GLONASS 的數(shù)據(jù)，可以自定義起算點(diǎn)和起算邊，在原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)驗(yàn)證并改正其中的外業(yè)錯(cuò)誤?？梢詫?shí)現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)、電子水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差?？梢蕴幚硎录?shù)據(jù)，其中的事件標(biāo)志表示測(cè)量期間每個(gè)事件的精準(zhǔn)時(shí)間。Trimble Business Center 軟件支持通道功能，即一個(gè)線性結(jié)構(gòu)的3D 模型（例如道路、隧道或水路等線性構(gòu)筑物），該通道支持超高、斷鏈，同時(shí)可以在通道的不同表面設(shè)置不同的材料層。Trimble Business Center 軟件可以將表面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到項(xiàng)目中，或者用現(xiàn)有數(shù)據(jù)創(chuàng)建表面，以實(shí)現(xiàn)表面數(shù)據(jù)的3D可視化。Trimble Business Center 軟件可以處理自定義的要素編碼，包括測(cè)量員在采集測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)遇到的對(duì)象，如樹、籬笆、門、標(biāo)志、電桿和建筑物等。導(dǎo)入和處理這些編碼后，軟件自動(dòng)生成地形圖，生成的地形圖可以導(dǎo)入后續(xù)的CAD 軟件中繼續(xù)處理，節(jié)約CAD 軟件中成圖的工作量。

4 基于影響掃描技術(shù)的室內(nèi)模擬試驗(yàn)

在正式進(jìn)行橋梁檢測(cè)之前，首先在室內(nèi)利用三維激光掃描儀進(jìn)行裂縫檢測(cè)的模擬試驗(yàn)，進(jìn)行可行性探索。

（1）測(cè)試環(huán)境

在走廊兩端測(cè)試，在一張A4紙上用0.38mm 簽字筆畫曲線，貼到一端的窗戶上。三維激光掃描儀架到另一端，測(cè)距顯示19m。

（2）模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

距離19.006m 超精細(xì)掃描點(diǎn)間距2mm。高清照片可以分辨出所畫的曲線，但是點(diǎn)云達(dá)不到1mm 的密度。通過照片+點(diǎn)云可以量測(cè)曲線（裂縫）的長度和寬度。

5 影響掃描技術(shù)在京石高速公路橋梁檢測(cè)實(shí)施

由于京石高速公路（河北段）沿線橋梁多，結(jié)構(gòu)種類豐富，材質(zhì)有鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，京石高速公路橋梁結(jié)構(gòu)形式主要包括箱梁橋、T 梁橋、板梁橋，橋梁材質(zhì)大部分為鋼混橋，局部為鋼結(jié)構(gòu)。

5.1 橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

在所調(diào)研的所有橋梁結(jié)構(gòu)形式當(dāng)中，箱梁橋和T梁橋雖然屬于兩種不同種類橋梁，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)掃描作用而言，區(qū)別不大。這兩種橋梁具有如下共同特點(diǎn)：每片箱梁或T梁都具有腹板結(jié)構(gòu)，且高度比較明顯，導(dǎo)致同一跨度內(nèi)并排的幾片梁之間有豎向凈深。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給掃描和拍攝作業(yè)制造了很大的障礙。相對(duì)而言，板梁橋比較容易掃描和拍攝，遮擋情況幾乎不存在。

5.2 基于三維激光掃描的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)規(guī)劃

本次野外數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)里程段為京石高速公路滹沱河大橋等典型橋梁，全面覆蓋所有橋梁形式和材質(zhì)。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，以每幅橋跨為一個(gè)數(shù)據(jù)采集單位進(jìn)行。

箱梁和T梁橋在外業(yè)掃描作業(yè)時(shí)，為能夠觀測(cè)到腹板遮擋部位，采用橋端頭變換設(shè)站位置方式，每次將儀器架設(shè)于相鄰兩片梁的中間位置處，然后開啟儀器掃描功能，沿橋梁縱向方向掃描；掃描完一個(gè)縱向跨度后，變化設(shè)站位置，重復(fù)上述過程掃描，直至一個(gè)跨度、全橋梁橫向?qū)挾葤呙杞Y(jié)束為止。然后進(jìn)行下一跨度的掃描觀測(cè)。

板梁橋由于幾乎不存在遮擋情況，儀器架設(shè)靈活度較高，視橋梁跨度大小而定。當(dāng)跨度較小時(shí)，將儀器架設(shè)于橋端頭中間部位，開啟掃描功能進(jìn)行縱向、橫向連續(xù)掃描，一次性完成一跨度整個(gè)橋梁的觀測(cè)；當(dāng)跨度較大時(shí)，將儀器架設(shè)于橋梁縱向跨度中央位置，然后開啟掃描功能前后左右四個(gè)方向旋轉(zhuǎn)掃描，直至一個(gè)跨度橋梁掃描完成。

5.3 三維激光掃描的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)一體化作業(yè)流程

三維激光掃描內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)流程大致如下：

（1）踏勘場(chǎng)地，架設(shè)儀器。根據(jù)橋梁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和上述規(guī)劃方案，選擇合適的儀器架設(shè)位置。

（2）框選目標(biāo)區(qū)域。開機(jī)，利用儀器高精度相機(jī)框選掃描拍攝區(qū)域。

（3）橋梁三維掃描。開啟掃描功能，按照規(guī)劃方案進(jìn)行全面掃描作業(yè)。

（4）橋梁細(xì)節(jié)部位近景拍攝。對(duì)興趣點(diǎn)進(jìn)行拍照、觀測(cè)、量距、查看裂縫、保存影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。

（5）數(shù)據(jù)導(dǎo)入。內(nèi)業(yè)處理，直接把掃描的.jxl 文件拖入到TBC軟件，軟件自動(dòng)導(dǎo)入點(diǎn)云，給點(diǎn)云著色。

（6）編輯點(diǎn)云。把無用點(diǎn)云刪除，留下觀測(cè)數(shù)據(jù)。

（7）量測(cè)。使用量測(cè)功能，可以直接量測(cè)兩點(diǎn)間距離或者折線距離，通過折線功能，也可把興趣區(qū)域圈起來，得到表面積。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)盡管影像掃描檢測(cè)技術(shù)非常簡便高效，但是該技術(shù)的裂縫病害檢測(cè)最終需要依靠掃描的詳細(xì)程度，影像圖片通常只作為病害識(shí)別和定位的輔助手段。但橋梁裂縫分布走向隨機(jī)性較強(qiáng)，可能與掃描方向平行或者斜交（或者正交）。美中不足之處是，該掃描目前主要為線列陣方式掃描，如果掃描方向與橋梁裂縫平行時(shí)，細(xì)微的裂縫有可能因?yàn)榫€列陣間距偏大而漏檢，造成檢測(cè)失敗。為了防止此現(xiàn)象發(fā)生，一般需要遷站進(jìn)行至少兩個(gè)方向的掃描，縱橫交錯(cuò)，達(dá)到全方位掃描的效果。橋下地形復(fù)雜時(shí)，遷站相對(duì)比較困難費(fèi)時(shí)，制約了工作效率。

6 結(jié)語

基于點(diǎn)云的三維激光測(cè)量極大地優(yōu)化了傳統(tǒng)工程測(cè)量的作業(yè)模式。在傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)中，需要配備專業(yè)高速臺(tái)車，每天一萬元，作業(yè)成本高；高空作業(yè)，靠人眼識(shí)別裂縫，效率低、危險(xiǎn)系數(shù)高且精度不高，無法保存野外觀測(cè)裂縫數(shù)據(jù)。而全站掃描儀基于點(diǎn)云的真三維測(cè)量模式將測(cè)量對(duì)象實(shí)時(shí)立體地呈現(xiàn)在使用者面前，點(diǎn)位的測(cè)量、圖形繪制以及施工放樣均可在三維點(diǎn)云的基礎(chǔ)上進(jìn)行，使用者可以根據(jù)需要對(duì)感興趣的橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取點(diǎn)云、高清照片、真實(shí)長度值和面積，降低了出錯(cuò)的概率，極大地提高了工作效率。