徐東風 王江義 關志勇 文培第 孟進

湖北交投建設集團有限公司 湖北 武漢 430000

近年來，隨著我國高速公路的建設與發(fā)展，在特定地段進行高速公路建設已經成為一種普遍現(xiàn)象，深埋和高架道路項目應運而生。在湖北的西北、西南等地，由于峽谷眾多，公路建設往往需要跨越峽谷和江河，因此，高墩橋梁廣泛應用于公路建設當中[1]。在高墩橋梁的施工過程中，由于高墩橋梁的橋墩截面形狀通常為矩形，且高度通常較高，因此控制橋墩的垂直度，成為施工檢測中的一個重要方面[2-4]。為了減少施工過程中的豎向位移誤差，無接觸式檢測正在逐漸成為控制橋墩垂直度的主要方法。

本文在分析已有橋梁高墩柱垂直度測量技術的基礎上，研究采用了三維激光掃描技術，該技術可以快速、準確地測量出墩柱的垂直度。不僅可以在短時間內完成高精度的測量，而且能有效地減少測量過程中的誤差和誤差積累，為高墩橋梁墩柱的垂直度檢測提供參考。

1 橋墩垂直度監(jiān)測的意義

由于經濟的快速發(fā)展以及政府的投資，高架橋的數(shù)量急劇上升，特別是那些橫穿山脈、峽谷的高墩大跨橋梁已變得普遍可行[5]。在高墩橋梁的施工中，橋墩的垂直度監(jiān)測顯得尤為重要。

高墩橋梁的橋墩是承載橋梁結構的重要支撐部分，其垂直度的偏差會直接影響橋梁的結構安全和穩(wěn)定性。在橋梁施工過程中，由于多次施工和施工縫的存在，橋墩的垂直度偏差會逐漸積累。如果不及時監(jiān)測和控制，這些偏差可能會導致橋梁結構的不均勻受力，進而影響橋梁的使用壽命和安全性。橋墩通常位于自然環(huán)境中，其傾斜會影響橋梁的美觀性。通過精確的監(jiān)測和控制，可以及時發(fā)現(xiàn)并糾正橋墩的偏斜問題，從而保證橋梁的完整性和美觀性。此外，橋墩的垂直度偏差也會對橋梁的安全性產生重要影響，它是承受豎向力的關鍵部位，如果出現(xiàn)較大的偏差，將會嚴重損害橋梁的結構穩(wěn)定性。

為了有效地控制高墩橋的垂直度，在施工過程中必須采取一系列有效的技術措施。其中，無接觸橋墩垂直度檢測技術可以有效地檢測出橋墩的位置變化，從而解決相關問題。該技術通過使用激光測距儀、全站儀等設備，可以實現(xiàn)對橋墩垂直度的高精度測量，準確判斷橋墩是否存在垂直度偏差，并及時采取相應的調整和修正措施。

2 橋墩垂直度傳統(tǒng)檢測技術

研究發(fā)現(xiàn)，目前主要的檢測高墩垂直度檢測技術有三種：垂球法、全站儀三維坐標法以及測斜儀法，都能夠提供相對準確可靠的信息，但是各自均存在一定的局限性。橋墩垂直度計算如圖1所示。

圖1 橋墩垂直度計算示意圖

采用垂球法來校準施工中的橋梁墩身,能夠明顯降低高墩測量的施工誤差。將設計樁位的中心坐標精確地測量后，組裝成墩柱模板。從墩柱模板的頂部邊緣開始，向四周吊起垂球。接著，使用直鋼尺持續(xù)地測量垂球的垂直距離和模板的頂部和底部之間的距離。同時不停地調整纜風繩，直到模板在所有方向的頂部和底部與垂球垂線的距離誤差都在預定的范圍內。雖然垂球法的作業(yè)相對簡單，見效快，但是精度較低，不能滿足當前市場對高精度的要求，僅能夠粗略的判斷該橋墩垂直程度，易被人工操作和自然條件所左右，在刮風的天氣情況下，由于垂球受風力影響會來回搖晃，此辦法便無法使用。

利用全站儀三維坐標法，可以準確地確認高墩的位置。主要依靠全站儀來檢測物體的三個坐標（X、Y、H），包括高墩的水平角、垂直角、傾斜度等，并且可以利用數(shù)據(jù)來估算物體與地面之間的坐標變化率。結合坐標變換與高程變換，獲取三維地面信息。此外，使用該方法還能夠精確地控制地面的垂直角和幾何形狀，同時，通過檢查導線控制點驗證地面的精確性。采用這種監(jiān)控技術可能導致施工過程的延誤，阻礙項目的完成。

測斜儀法具有高精度、自動化、智能化等優(yōu)點，能夠提高測量效率和質量。在墩柱澆筑過程中，將一根由橋墩底至橋墩頂部的側斜管埋入混凝土中，在埋設側斜管時，應使其位于各墩斷面同一位置。然后，利用與之相配的傾斜計滑入側斜管內，使用數(shù)字垂直活動測斜儀探頭，控制電纜，滑輪裝置和讀數(shù)儀來觀測測斜管的變形以測定橋墩垂直度。然而，測斜儀法存在一些局限性。測斜儀容易損壞或堵塞，且靈敏度過高，導致測量結果誤差較大。此外，測斜管的誤差也可能來自于施工過程中的混凝土擠壓。測斜儀法通常適用于較小高度的橋墩，對于較高的橋墩可能存在一定的限制，測斜管的造價較高，使用成本高，故此方法正在逐漸減少使用。

綜上，現(xiàn)有的橋墩垂直度檢測技術精度還比較低，對施工質量以及速度存在一定的影響，需要進行改進和提高，以達到更高的檢測精度要求。在此背景下，急需一種新的橋墩垂直度檢測方法。

3 橋墩垂直度無接觸快速檢測技術原理

經過深入研究，目前幾種常用的接觸式橋梁垂直度檢查技術都具備一定的局限性，它們的檢驗結果往往不夠準確，因此采用一種新興的檢查技術，以取代目前的檢查技術。

隨著三維激光掃描技術的迅猛發(fā)展，為測量帶來了前所未有的改革，特別是采用三維激光掃描儀來實現(xiàn)無接觸的橋梁檢查，不僅能夠顯著加快檢查的效率，而且獲取的點云數(shù)據(jù)精度較高，可以更好地滿足橋墩垂直度測量的精度要求。三維激光掃描是一項新興測繪技術，它借助激光的反射對被測物進行完整的空間掃描，通過軟件建立模型，獲得空間信息及被測物的三維模型，且具有實時性強、數(shù)據(jù)量大、數(shù)字性強、交互性好等優(yōu)點。

為了全面獲取橋墩表面的信息，需要選擇合適的測點位置。通常需要在橋墩表面設置多個測點，覆蓋整個橋墩表面，同時要避免測點之間的相互干擾。測點的布置需要考慮橋墩的形狀和尺寸，以及測量需求等因素。為了提高檢測精度，常將測點數(shù)目設置為多于3個，對于矩形橋墩，通常在其頂面和側面等區(qū)域設置測點。在橋墩施工控制區(qū)外部布設控制點，并將三維激光掃描儀架設在控制點上，建立空間坐標系，對承臺及墩柱周邊各測點進行測量。采用同一測點在不同高程上（除高程外，其水平坐標完全一致的，但在實際檢驗中，可能會因儀器檢測誤差或資料分析等因素而產生一些誤差，這個誤差在容許范圍之內），來判斷橋墩的垂直度。

在諸多橋墩垂直度檢測的方法中，三維激光掃描技術難點主要有以下幾個方面：

1）橋墩表面復雜：橋墩的形狀、表面結構以及材料等因素可能對掃描結果產生影響，使得點云數(shù)據(jù)的處理和分析變得復雜。例如，橋墩表面的凹凸不平、紋理、反光等特征可能干擾點云數(shù)據(jù)的采集和提取。

2）大仰角測量困難：在橋梁檢測中，由于橋墩較高，采用全站儀進行大仰角測量可能會比較困難，從而影響垂直度的計算結果。而三維激光掃描技術雖然可以獲取橋墩表面的點云數(shù)據(jù)，但在大仰角測量時也可能因為光線折射、反射等原因導致測量誤差較大。

3）激光束定位問題：在利用三維激光掃描技術進行橋墩垂直度測量時，激光束的定位精度對測量結果有著重要影響。由于環(huán)境因素（如風、雨等）和設備因素（如激光器老化、儀器誤差等）的影響，激光束的定位精度可能會受到影響，從而影響垂直度的計算結果。

4）點云數(shù)據(jù)處理困難：三維激光掃描技術可以快速獲取橋墩表面的點云數(shù)據(jù)，但點云數(shù)據(jù)處理和分析過程較為復雜。例如，點云數(shù)據(jù)中可能存在噪聲和冗余數(shù)據(jù)，需要進行濾波和平滑處理；同時，還需要根據(jù)實際需要提取橋墩表面的特征信息，并采用合適的算法和技術進行垂直度計算。

4 基于三維激光掃描技術的垂直度分析

利用三維激光掃描儀，對高墩進行預設的全方位掃描，獲取相應的點云數(shù)據(jù)，在實際應用過程中，由于環(huán)境噪聲及儀器自身存在的誤差，會使三維激光掃描的結果產生偏差。為此，必須先對高墩數(shù)據(jù)進行點云去噪、點云濾波、點云校準等預處理過程，以便獲取同一坐標下高墩數(shù)據(jù)的詳細信息。具體技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線

點云數(shù)據(jù)采集的準確性受環(huán)境因素、測點選取和儀器等因素的影響，為確保點云的精確性，在掃描時，應該注意以下幾點：

1）避免環(huán)境因素的影響：掃描環(huán)境區(qū)域內的光線、風力、溫度等都會對掃描數(shù)據(jù)的質量產生影響。在選擇掃描時間和地點時，要盡量避免不利環(huán)境因素的影響。

2）測站的選擇：測站的位置和高度也會影響掃描數(shù)據(jù)的精度。在選擇測站時，要盡量選擇平坦、開闊、無遮擋的位置，同時也要考慮測站的高度，以避免因高度不足而產生的遮擋和視角誤差，保持各個相鄰測站之間擁有20%到30%的重疊度，重疊度過高則數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)分析速度降低。

3）掃描參數(shù)的設置：在設置掃描參數(shù)時，要盡量選擇合適的分辨率、掃描范圍、點云間距等參數(shù)，以達到最佳的掃描效果。

4）數(shù)據(jù)處理和分析：獲取的點云數(shù)據(jù)需要進行數(shù)據(jù)處理和分析。在這個過程中，需要注意數(shù)據(jù)的拼接和處理方法，以及可能出現(xiàn)的噪聲和異常數(shù)據(jù)的處理。

獲取橋墩的點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預處理后，進行高墩垂直度計算。根據(jù)高墩相對于垂直方向的傾斜角度θ，垂直度可用正切值來表示：

本文在分析橋墩垂直度時，暫時忽略了點云本身的處理過程對其產生的影響。由于橋墩高度一般超過10m，若將其作為一個整體進行擬合，則擬合后的點云將與實測結果有很大差異，從而影響了建模的準確性和速度。為此，一般采用多層次的分段擬合算法。在獲得各層薄片的中心坐標之后，擬合出橋墩的中心線，以中心坐標為基準計算橋墩的垂直度。利用Topo DOT軟件進行相關的點云數(shù)據(jù)處理，該軟件具有三個模塊，包括數(shù)字高程模型（DEM）模塊和三維模型模塊等。在處理過程中，利用數(shù)字高程模型模塊中的平面切割功能，從橋墩的底部開始，自下而上按一米間距、切片厚度五厘米進行分層切割處理，通過三維模型模塊對每層切片進行長方體模型建模。根據(jù)每層切片的模型，可獲得切片的中心坐標，并利用最小二乘法對橋墩中心曲線進行擬合。

通過計算橋墩中心線，我們可以得到橋墩中心的垂直度。具體的計算步驟如下：

(1)將點云數(shù)據(jù)按Z方向切割，并將其切割成多段點云，即圖3(a)到圖3(b)的過程。

圖3 中心線計算示意圖

(2)以具有最小Z值的XY平面為模型投影對象，投影各段點云，如圖3(c)所示。

(3)以投影后的點云數(shù)據(jù)作為該區(qū)段的輪廓線，對其進行點云切割處理，利用隨機抽樣一致性方法（RANSAC）進行數(shù)據(jù)擬合，獲得代表橋墩截面各條邊的直線點云。

(4)由兩條直線的交點確定截面的中心點位置，如圖3(e)所示。

(5)在點云剖面上對點進行直線擬合，即可獲得相應的中心曲線，其中計算得出的方向向量為m，方向向量與垂直方向上的單位向量=(0，0，1)之間的夾角為θ，則tanθ的值即為高墩立面的垂直度。

5 結語

由于橋墩施工技術和場地等因素的限制，不管是哪一種方法都無法獲得準確的結果。在實際項目中，選取一段固定的觀測截面，每一期對同一部位進行觀測，對比該部位的垂直度變化情況，更有參考價值。本文在已有的橋墩垂直度檢測技術研究基礎上，剖析其優(yōu)缺點，介紹一種基于三維激光掃描儀的高墩橋梁垂直度測量方法，并介紹了中心曲線計算橋墩垂直度的方法，為橋墩垂直度測量提供參考。