三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形檢測中的應(yīng)用分析

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摘 要：近年來，隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)中。與傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)相比較，該技術(shù)具有精度高、實時性好、智能化和自動化程度高的特點，從而使監(jiān)測工作更加全面、有效。本文就三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形檢測中的應(yīng)用進(jìn)行簡要分析，僅供學(xué)習(xí)和參考。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；橋梁變形檢測；應(yīng)用分析

一、概述

三維激光掃描技術(shù)選用的是非接觸式高速激光測量的方法，對相關(guān)物體幾何數(shù)據(jù)及影音資料進(jìn)行獲取，最后利用后處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，轉(zhuǎn)換成具有坐標(biāo)系的三維空間坐標(biāo)及模型，并能夠用多種數(shù)據(jù)格式輸出，滿足空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源，以及三維激光掃描技術(shù)的不同應(yīng)用需求。

1.系統(tǒng)組成 （1）三維激光掃描儀；（2）數(shù)碼相機(jī)；（3）后處理軟件；（4）電源以及附屬設(shè)備。

2.工作原理

三維激光掃描技術(shù)利用設(shè)備內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器，向相關(guān)目標(biāo)物體發(fā)射一束激光脈沖，通過反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃描目標(biāo)，信號接收器接收反射回來的激光脈沖，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，包括每個激光脈沖從發(fā)射到被測物表面，然后返回設(shè)備所經(jīng)過的時間，以此獲取目標(biāo)到掃描中心的距離，除此之外掃描控制模塊對每一個激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β進(jìn)行控制，最后經(jīng)過后處理軟件自動解算，得出目標(biāo)的相對三維坐標(biāo)，也就是云點，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，在絕對坐標(biāo)系中表現(xiàn)為三維空間位置坐標(biāo)或者模型。

3.特點

（1）非接觸式

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式的高速激光測量手段，無需布置反射棱鏡，直接掃描目標(biāo)體即可，通過對目標(biāo)體表面云點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

（2）數(shù)字化程度較高、可擴(kuò)展性

三維激光掃描技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)均為數(shù)字信號數(shù)據(jù)，具有較高的數(shù)字程度，處理起來較為簡便，可以便利的用于數(shù)據(jù)的分析、輸出以及顯示，后處理軟件人機(jī)友好的用戶界面，可以和其它軟件及時進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，能夠和外接數(shù)碼相機(jī)、GPS等設(shè)備相互配合使用，從而拓寬了各自的應(yīng)用范圍。

（3）高分辨率

三維激光掃描技術(shù)的分辨率較高，能夠方便快捷的采集高質(zhì)量、高密度的數(shù)據(jù)，這是高分辨率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

（4）廣泛的應(yīng)用 三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，使得其在工程建設(shè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，還具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

4.掃描流程

可行性分析橋梁變形檢測技術(shù)的發(fā)展，大致可以概括為由起初的全站儀+水準(zhǔn)儀的組合，到后來近景攝影測量GPS和測量機(jī)器人等手段的加入。雖然數(shù)據(jù)采集方式變得多樣化、數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)字化、分析處理軟件化，但變形檢測的思路依然停留在“以點代面”這一分析方法上。該方法的弊端顯而易見，無法有效避免變形檢測點數(shù)據(jù)的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果代替整個結(jié)構(gòu)變形所帶來的局部性和片面性。變形檢測的特點是精度要求高，所以一項新技術(shù)能否用于橋梁變形檢測最基本的條件是該技術(shù)的測量精度能否滿足橋梁變形檢測的要求。目前，關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的測量，業(yè)界普遍認(rèn)為單點測量精度完全可以達(dá)到亞厘米級，模型精度還遠(yuǎn)高于此。與目前常用的橋梁變形檢測方法相比，雖然三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)方法所不具有的技術(shù)優(yōu)勢，但其實際應(yīng)用還未普及，特別是在目前儀器設(shè)備昂貴、數(shù)據(jù)處理專業(yè)人員缺少、數(shù)據(jù)處理理論欠缺、國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)沒有出臺的現(xiàn)實情況下。三維激光掃描技術(shù)結(jié)合了攝影測量和全站儀測量的優(yōu)點。在掃描視場、有效掃描范圍內(nèi)、基于一定點云密度獲取掃描對象外觀的點云數(shù)據(jù)，與近景攝影測量相比，具有更高的數(shù)據(jù)精度、更高的工作效率，同時數(shù)據(jù)后處理過程簡單，并能快速準(zhǔn)確地生成橋梁的模型。與全站儀測量相比，實現(xiàn)了自動連續(xù)測量，數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)增長，使高質(zhì)量的橋梁建模成為可能。三維激光掃描儀的強(qiáng)項不在于單點測量的精度，而是可以連續(xù)高精度地對掃描對象進(jìn)行一定密度的點云采樣，通過點云數(shù)據(jù)生成掃描對象的模型。所以基于三維激光掃描技術(shù)的橋梁變形檢測應(yīng)用不能依靠傳統(tǒng)的“以點代面”的分析方法，尋求一種適合三維激光掃描儀相適應(yīng)的變形檢測數(shù)據(jù)處理方法就顯得十分必要。應(yīng)用范圍三維激光掃描技術(shù)在橋梁設(shè)計、施工、運營維護(hù)階段均可應(yīng)用。

三、應(yīng)用分析

1.設(shè)計階段

我國橋梁設(shè)計程序，一般分為前期工作及設(shè)計階段。前期工作包括編制預(yù)可行研究報告和可行性研究報告。設(shè)計階段按“三階段設(shè)計”，即初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計與施工設(shè)計。在工程可行性論證階段，首先是選擇好橋位，其次是確定橋梁的建設(shè)規(guī)模，同時還要解決好橋梁與河道、航運、城市規(guī)劃以及已有設(shè)施的關(guān)系。采用三維激光掃描技術(shù)建立橋位及周邊區(qū)域的三維數(shù)字模型，設(shè)計人員在三維數(shù)字模型上反復(fù)嘗試各種橋梁設(shè)計方案，有利于設(shè)計人員宏觀把控橋梁與周圍環(huán)境、河道城市規(guī)劃、已有建筑物設(shè)施之間的協(xié)調(diào)性和美感。目前，在橋梁設(shè)計當(dāng)中，出現(xiàn)越來越多的橋梁遺址保護(hù)設(shè)計、舊橋加固設(shè)計。這類橋梁設(shè)計工作必須建立在對舊橋有詳細(xì)勘察和測量的基礎(chǔ)上，同時，設(shè)計方案對橋梁的樣式、外觀盡量不要做改變，特別是具有歷史價值的橋梁。運用三維激光掃描技術(shù)，可以在設(shè)計階段就清楚施工后的外觀變化情況，這無疑有助于設(shè)計人員與文物保護(hù)單位、業(yè)主之間的溝通交流。

2.施工階段

在橋梁施工階段使用三維激光掃描技術(shù)就不得不提到BIM模型。BIM是BuildingInformationModeling的縮寫，即建筑信息模型。建筑信息模型（BIM）以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)建立起來的一個集成了工程建設(shè)項目中各個環(huán)節(jié)、各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型。BIM具有的三維可視化特點離不開三維數(shù)字建模的支撐，而具有快速、高精度獲取外觀結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)的三維激光掃描技術(shù)，無疑是建筑信息模型最好的選擇。三維激光掃描技術(shù)另一大特點是無協(xié)同作業(yè)，不需要對掃描目標(biāo)做任何準(zhǔn)備工作，通過海量的點云數(shù)據(jù)模擬目標(biāo)表面的信息。三維激光掃描獲得的海量點云數(shù)據(jù)，可以通過專業(yè)的點云數(shù)據(jù)處理軟件，轉(zhuǎn)換成BIM支持的模型數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以與橋梁的設(shè)計模型、BIM模型進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場與設(shè)計模型的不同點，實現(xiàn)現(xiàn)場施工質(zhì)量的把控。無疑，三維激光掃描技術(shù)是BIM模型和施工現(xiàn)場連接的“橋梁”，運用三維激光掃描技術(shù)和BIM模型可以很好的彌補(bǔ)在橋梁施工前和施工中的質(zhì)量管理短板。在橋梁施工后期使用三維激光掃描技術(shù)逐步獲取全橋的點云數(shù)據(jù)，建立與CAD設(shè)計模型對比分析的全橋?qū)嶋H三維數(shù)字模型，為質(zhì)量監(jiān)控和驗收工作提供良好的數(shù)據(jù)。

3.運營維護(hù)階段

三維激光掃描技術(shù)在橋梁運營維護(hù)階段，主要用于橋梁變形健康檢測，相對于傳統(tǒng)的橋梁變形檢測手段而言，具有不需要事前埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備，不需要接觸測量物體，通過海量點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)高精度模型建立，通過對比分析，能快速精確地反映出橋梁總體的變形趨勢和局部的變形量。如本文所述，結(jié)合專門的點云數(shù)據(jù)處理軟件，可以實現(xiàn)變形分析結(jié)果的直觀表達(dá)。在市政橋梁里面大部分屬于中小型橋梁，且箱型梁橋居多。中小型市政橋梁橋底一般情況下人員可以到達(dá)，為掃描儀的架設(shè)提供了可能性，箱型梁梁底為平面，使點云數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理更加方便，可嘗試將三維激光掃描技術(shù)用于中小型橋梁荷載試驗中。

參考文獻(xiàn)：

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