非接觸測量方法在柱狀構(gòu)筑物垂直度檢測中的應(yīng)用研究

歐斌

(重慶市勘測院，重慶 400020)

非接觸測量方法在柱狀構(gòu)筑物垂直度檢測中的應(yīng)用研究

歐斌?

(重慶市勘測院，重慶 400020)

采用應(yīng)用研究與生產(chǎn)相結(jié)合的方法，在柱狀構(gòu)筑物垂直度檢測中引入了地面三維激光掃描技術(shù)，與使用比較成熟的全站儀非接觸測量方法，從外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理以及計(jì)算結(jié)果等進(jìn)行了對比，獲得定量的分析結(jié)果。得到了地面三維激光掃描技術(shù)在柱狀構(gòu)筑物垂直度檢測中的可行性、技術(shù)優(yōu)勢。

變形監(jiān)測；垂直度；非接觸測量；三維激光掃描

1 引 言

變形監(jiān)測是利用測量與專用儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)視觀測的工作，其任務(wù)是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時(shí)間特征。變形監(jiān)測工作是人們對變形現(xiàn)象獲得科學(xué)認(rèn)識、檢驗(yàn)理論和假設(shè)的必要手段。

隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)化大生產(chǎn)的發(fā)展，高層建筑、超高層建筑等各種構(gòu)筑物逐漸增多，體型也日趨復(fù)雜，對變形監(jiān)測提出了更高的要求。如城市高層建筑、大型煙囪、橋梁塔柱、橋墩等的變形監(jiān)測是維護(hù)建構(gòu)筑物正常使用的必要技術(shù)措施，其中垂直度檢測是其中的一個(gè)重要部分。本文針對柱狀構(gòu)筑物，選取墩高65m的立交匝道橋墩，采用技術(shù)比較成熟的全站儀非接觸投影法進(jìn)行檢測的同時(shí)，引入地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行同步檢測，對兩種不同方法的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理以及計(jì)算結(jié)果等進(jìn)行對比，重點(diǎn)研究地面三維激光掃描技術(shù)在垂直度檢測中的技術(shù)可行性及應(yīng)用方法。

2 技術(shù)特點(diǎn)及儀器使用

全站儀非接觸投影法是一種不接觸、多斷面測量，操作簡單、能反映柱狀構(gòu)筑物中軸線空間線形狀態(tài)，通過幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算垂直度的檢測方法。采用垂直度的非接觸投影檢測方法，其靈敏度完全能滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中的墩臺傾斜允許偏差不得超過3‰且不大于20 mm的要求[1]。

地面三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的測量新技術(shù)，以高精確、快速、海量、無接觸測量等優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。與其他非接觸式測量方法相比，該技術(shù)具有較大的偏置距離和測量范圍，對某一區(qū)域掃描時(shí)，采集點(diǎn)位密度大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)環(huán)境；測量準(zhǔn)確度高，特別適合測量表面復(fù)雜的物體及其細(xì)節(jié)的測量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精細(xì)化測量；測量速度快，節(jié)約大量的時(shí)間，使工作效率提高，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，投入費(fèi)用也有減少；抗干擾性好，在昏暗的條件下或者夜間都不影響測量。

全站儀非接觸投影法采用徠卡TM30智能全站儀，其測角精度0.5″，距離測量精度0.6+1 ppm。地面三維激光掃描采用RIEGL VZ-1000地面三維激光掃描儀，其采用脈沖法測距方式，擁有全波形回波技術(shù)(waveform digitization)和實(shí)時(shí)全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)(on-line waveform analysis)，每秒可發(fā)射高達(dá)300，000點(diǎn)的纖細(xì)激光束，提供高達(dá)0.0005°(1.8″)的角分辨率，掃描距離可達(dá)1.4 km，它能夠產(chǎn)生完全線性、均勻分布、單一方向的掃描激光點(diǎn)云線。

3 方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

某環(huán)形立交正在進(jìn)行變形監(jiān)測，選擇其中墩高在60 m～65 m間，墩距33 m～35 m的3個(gè)橋墩作為本次研究的檢測對象，分別采用兩種方案進(jìn)行檢測。由于全站儀非接觸投影法使用較為成熟，只做簡單介紹。檢測墩柱實(shí)景如圖1所示。

圖1 檢測墩柱實(shí)景圖

3.1 全站儀非接觸投影法

根據(jù)實(shí)際條件及墩柱的分布情況，在3個(gè)墩柱的近似圓心處布設(shè)工作基點(diǎn)1，作為3根墩柱觀測的共用點(diǎn)。過墩柱中心并于墩柱與工作基點(diǎn)1連線的垂線方向，各布設(shè)一個(gè)工作基點(diǎn)，每根墩柱由兩個(gè)工作基點(diǎn)控制，工作基點(diǎn)到墩柱的距離處于墩高的1.5倍左右，如圖2所示。面精細(xì)掃描，為保證高精度的數(shù)據(jù)拼接，掃描時(shí)在其他工作基點(diǎn)上設(shè)置標(biāo)靶。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

圖2 工作基點(diǎn)布設(shè)示意圖

4.1 全站儀非接觸投影法數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測量所得的各基準(zhǔn)點(diǎn)到墩柱的水平角、垂直角和到墩柱中心距離等相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出墩柱底部、頂部的中心坐標(biāo)和高程，分別用x1、y1、z1和x2、y2、z2表示，根據(jù)垂直度計(jì)算公式(式1)計(jì)算各墩柱的垂直度。

4.2 地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與裁剪

如圖3所示，單站掃描數(shù)據(jù)只能反映墩柱的某一個(gè)面，對各測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接后，才能全面的反映檢測對象。點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)，應(yīng)用RIEGL自帶的處理軟件RISCAN PRO，按程序要求格式建立工作基點(diǎn)坐標(biāo)文件，讀入程序。程序按對應(yīng)的測站點(diǎn)和公共標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)和拼接，形成統(tǒng)一的橋墩點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行裁剪，去除橋墩周圍的非相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。墩柱面擬合時(shí)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的反射強(qiáng)度，首先去除反射較弱的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后根據(jù)選取的反射強(qiáng)度較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，取其點(diǎn)云厚度平均值作為墩柱面，去噪后的墩柱點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

在各工作基點(diǎn)上設(shè)站，水平角采用測墩柱兩側(cè)取平均角，距離采用測到墩柱邊緣的水平距離加墩柱相關(guān)尺寸求中心的方法，分別對各墩柱的墩底部和墩頂部進(jìn)行觀測。

3.2 地面三維激光掃描

采用RIEGL VZ-1000地面三維激光掃描儀，在圖2中的5個(gè)工作基點(diǎn)上設(shè)站，分別對3根墩柱進(jìn)行全

圖3 單站掃描數(shù)據(jù)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖4 1號橋墩點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(2)墩柱中心坐標(biāo)提取及垂直度計(jì)算

在本次應(yīng)用研究中，除計(jì)算墩柱頂部到底部的垂直度外，增加了墩柱頂部到中部的垂直度計(jì)算。為獲得準(zhǔn)確的墩柱底部、中部和頂部的中心坐標(biāo)，分別在橋墩底部、中部和頂部截取一段點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在截取的數(shù)據(jù)中做一水平截面，把水平截面的中心點(diǎn)作為計(jì)算墩柱垂直度的特征點(diǎn)，水平截面的具體高度位置根據(jù)墩柱整體掃描數(shù)據(jù)確定。截取部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5、6、7所示。

水平截面的中心點(diǎn)坐標(biāo)按幾何關(guān)系直接量取，如圖8所示。橋墩底部、中部和頂部截取水平截面中心坐標(biāo)位置關(guān)系如圖9所示。

圖5 1號橋墩底部點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖6 2號橋墩底部點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖7 3號橋墩底部點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖8 墩柱中心坐標(biāo)提取 圖9 墩柱截面位置關(guān)系

各水平截面中心點(diǎn)的高程，可直接在點(diǎn)云截面數(shù)據(jù)中量取，也可直接量取其相對高差。該項(xiàng)目通過在水平截面上量取獲得各墩柱其底部、中部和頂部中心點(diǎn)的坐標(biāo)，如表1所示。

墩柱特征點(diǎn)坐標(biāo) 表1

將表1中的數(shù)據(jù)根據(jù)不同部位，對應(yīng)的代入式(1)，計(jì)算各墩柱及各部位的垂直度。

4.3 垂直度對比分析

根據(jù)公式計(jì)算得到3根墩柱的垂直度，并與常規(guī)測量數(shù)據(jù)結(jié)果比較，如表2所示。

橋墩垂直度比較表 表2

從表2可以得出，各墩柱采用地面激光掃描技術(shù)測量垂直度與常規(guī)測量結(jié)果接近，均真實(shí)反映了墩柱的變形情況。各墩柱通過分段測量和計(jì)算垂直度，分段數(shù)據(jù)取平均值后可以對整根墩柱垂直度計(jì)算值進(jìn)行檢核，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和高精度，滿足墩柱檢測的要求。

5 結(jié) 語

通過本文的對比分析，地面三維激光掃描儀能滿足墩柱垂直度的測量。三維激光掃描技術(shù)在墩柱垂直段檢測方法上與常規(guī)方法比較，有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

(1)外業(yè)工作效率高，可24小時(shí)作業(yè)。本次觀測平均每站測量20 min，外業(yè)用時(shí)0.5個(gè)工作日，較常規(guī)測量方法節(jié)約了1個(gè)工作日。

(2)獲取數(shù)據(jù)更豐富，可利用數(shù)據(jù)更多。常規(guī)方法獲取數(shù)據(jù)只有頂部和底部數(shù)據(jù)，三維激光掃面獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)以萬計(jì)數(shù)，可任意切取面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

(3)針對墩柱垂直度檢測，地面三維激光掃面儀器設(shè)站靈活，不受周邊條件的限制，配合“云臺”等設(shè)備，可進(jìn)行360°掃描。

文中引入的基于地面三維激光掃描技術(shù)的墩柱垂直度檢測方法，不僅適用于橋梁墩柱、煙囪等柱狀構(gòu)筑物的垂直度檢測，而且可應(yīng)用于工業(yè)廠房、高層及超高層等建筑的垂直度檢測。

[1] 余加勇，邵旭東，朱建軍等.柱狀構(gòu)筑物垂直度非接觸檢測方法及其精度分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)·交通科學(xué)與工程版，2008，32(6):1153～1156.

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The Application and Research of Non-contact M easurement M ethod in Detecting Degree of Gravity Vertical Columnar Structure

Ou Bin
(Chongqing Surveying Institute，Chongqing 400020，China)

This paper is used researching and producing method，it’s imported 3D laser scanning technology and mature total station non-contactmeasurementmethod in detecting degree of gravity vertical，contrasted with field data collection、data processing and computed result，obtained quantitative analysis result.It get feasibility and technological advantage of 3D laser scanning technology in detecting degree of gravity vertical columnar structure.

deformation monitoring；degree of gravity vertical；non-contactmeasurement；3D laser scanning

1672-8262(2013)04-142-03

P258，P234.4

B

2012—10—07

歐斌(1977—)，男，高級工程師，主要從事工程測量及數(shù)據(jù)處理工作。