基于三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型橋形變獲取

馮 麟， 周志祥， 唐 亮， 張 鑫， 于 輝

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074；2.山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，重慶400074；3.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東深圳518060）

0 引 言

作為結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的重要參數(shù)，荷載作用下橋梁的形變與其結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)具有重要的聯(lián)系，因此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的形變檢測(cè)可為其幾何形態(tài)變化及動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)的安全預(yù)警提供關(guān)鍵的量化指標(biāo)［1-2］。目前的橋梁檢測(cè)手段大多具有成本高、主觀性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性差及影響交通狀況等缺點(diǎn)［3］，特別是針對(duì)如斜拉橋與懸索橋等跨江大橋而言，使用傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)難度較大且精度難以控制［4］，進(jìn)而影響檢查效果與健康狀況評(píng)定，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能不斷退化而“帶病”運(yùn)營(yíng)，從而為結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)埋下隱患［5］。

隨著三維激光掃描儀精度與三維重建技術(shù)的提高，通過(guò)利用其獲取的結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，最終得到結(jié)構(gòu)相關(guān)形態(tài)數(shù)據(jù)的研究方法已得到廣泛應(yīng)用［6］。孫杰等［7］以具體樓房為研究對(duì)象，在獲取多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)后進(jìn)行曲面重構(gòu)并建立NURBS模型，最終得到目標(biāo)對(duì)象的形變值與傾斜值；黃帆等［8］利用針對(duì)隧道斷面的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行隧道整體形變的測(cè)量，結(jié)果顯示其檢測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合程度大于90%；司夢(mèng)元等［9］利用道路路面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)字化模型，進(jìn)而獲取了研究對(duì)象的整體形變值，最終建立基于三維激光掃描技術(shù)的路面測(cè)量方法；姚習(xí)紅等［10］結(jié)合三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)對(duì)一高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了形變監(jiān)測(cè)。相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式橋梁形變檢測(cè)方法，基于三維激光掃描的結(jié)構(gòu)形變檢測(cè)方法［11-12］可對(duì)目標(biāo)橋梁進(jìn)行局部或整體的實(shí)時(shí)非接觸式點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，同時(shí)無(wú)需預(yù)埋相關(guān)檢測(cè)設(shè)備；在計(jì)算與存儲(chǔ)方面［13］，無(wú)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型能顯著降低算法復(fù)雜度以提高算法運(yùn)算速率；將該方法運(yùn)用于橋面結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲?。?4-15］，可實(shí)現(xiàn)荷載／環(huán)境作用下橋面下?lián)吓c凸起的精確化三維空間信息數(shù)據(jù)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)橋面數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、處理及對(duì)比。

為研究依據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取荷載作用下橋面撓度的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了一座有機(jī)玻璃簡(jiǎn)支T型寬橋，進(jìn)行基于三維激光掃描技術(shù)的橋面形變測(cè)量試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行不同荷載及結(jié)構(gòu)損傷的影響因素研究，最后將測(cè)量值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析以驗(yàn)證該方法的測(cè)量可行性。

1 模型橋?qū)嶒?yàn)

1.1 設(shè)計(jì)與構(gòu)造

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆虿馁|(zhì)主要選取力學(xué)形態(tài)表現(xiàn)為硬而脆、斷面平滑的剛性硬質(zhì)材料——有機(jī)玻璃，該材質(zhì)的拉壓強(qiáng)度大致為50～77 MPa，彎曲強(qiáng)度約為90～130 MPa，密度為1.18 g／cm3；同時(shí)其斷裂伸長(zhǎng)率約為2%～3%，因此較小的荷載作用便可能會(huì)使原有裂縫擴(kuò)展。由于有機(jī)玻璃的透光率較高且考慮光的折射影響，為此須在模型橋表面鋪上一層反射率高的材料，最終選擇覆蓋白色貼紙?jiān)谠囼?yàn)橋表面以反射三維激光掃描系統(tǒng)發(fā)出的紅色激光，具體如圖1所示。

圖1 覆蓋白色貼紙的有機(jī)玻璃模型橋

為使荷載作用下模型橋的形變量明顯且易于測(cè)量，將有機(jī)玻璃試驗(yàn)橋的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為受力明確的簡(jiǎn)支T型寬橋，其寬長(zhǎng)比為0.5，縱向橋長(zhǎng)160 cm，同時(shí)分別在跨中、縱向1／4與3／4位置以及兩端支座處設(shè)置橫隔梁；橫向橋?qū)?0 cm，T型主梁布置5片；其具體尺寸及構(gòu)造見圖2、3。

圖2 模型橋平面圖（mm）

圖3 模型橋橫斷面圖（mm）

1.2 約束與加載

由于模型試驗(yàn)橋的構(gòu)造為簡(jiǎn)支T型梁橋，因此5片T梁肋板底兩端邊界條件分別為固定端支座與鉸支座，從而保證鉸支座位置處的橫向位移與轉(zhuǎn)動(dòng)位移，在保證固定端支座處轉(zhuǎn)動(dòng)位移的同時(shí)約束其縱橫向位移，其具體支座形式如圖4、5所示。

圖4 鉸支端支座

試驗(yàn)加載方案主要為偏心加載以使橋面形變明顯，加載中心位置橫向離模型橋邊緣10 cm，同時(shí)為減少加載結(jié)構(gòu)物對(duì)橋面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的遮擋，最終選擇利用杠桿原理進(jìn)行間接偏心加載，其加載示意見圖6。杠桿設(shè)計(jì)的具體形式為一端通過(guò)軸承串接支撐桿固定于地面，橋面加載位置處疊放秤砣作為支點(diǎn)，通過(guò)杠桿另一端秤砣個(gè)數(shù)改變荷載等級(jí)，其實(shí)際加載形式見圖7；同時(shí)一級(jí)荷載大小為14 kg，二級(jí)荷載大小為42 kg。

圖6 模型橋加載示意圖（mm）

圖7 模型橋試驗(yàn)加載圖

圖5 固定端支座

為測(cè)試三維激光掃描對(duì)于橋面形變測(cè)量的敏感性，試驗(yàn)選擇在完成無(wú)損試驗(yàn)橋加載形變量測(cè)后設(shè)置預(yù)損傷并重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，以分析結(jié)構(gòu)損傷對(duì)于形變測(cè)量影響；其預(yù)損傷位置在邊緣T梁肋板，主要形式為人為裂縫，裂縫寬度為0.6 mm，長(zhǎng)度為80 mm，其裂縫具體位置示意見圖8。

圖8 模型橋人為裂縫圖

1.3 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)選用徠卡Nova Ms50獲取不同荷載作用下模型橋的橋面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)無(wú)損及有損狀態(tài)下的形變測(cè)量；該掃描設(shè)備最高精度為0.8 mm，在抗干擾性以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

試驗(yàn)時(shí)激光發(fā)射源須高于模型橋面以保證掃描視場(chǎng)包含整個(gè)橋面并獲得理想掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描前設(shè)置掃描點(diǎn)云密度為2 mm，掃描框選范圍主要為試驗(yàn)橋橋面。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中依次獲取無(wú)損狀態(tài)下空載、無(wú)損狀態(tài)下多級(jí)荷載、有損狀態(tài)下空載以及有損狀態(tài)下多級(jí)荷載的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其掃描過(guò)程耗時(shí)均在10 min內(nèi)，圖9即為基于Nova Ms50三維激光掃描系統(tǒng)所獲取的有機(jī)玻璃模型橋橋面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖9 有機(jī)玻璃模型橋橋面點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理及程序設(shè)計(jì)

由橋面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集結(jié)果可知，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)會(huì)受到來(lái)自人為、設(shè)備以及環(huán)境因素的影響，進(jìn)而形成不同程度的噪聲及多余數(shù)據(jù)點(diǎn)，影響后續(xù)數(shù)據(jù)的分析及模型重構(gòu)，因此須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以去除噪聲。

2.1 K近鄰自適應(yīng)雙邊濾波算法

由三維激光掃描儀采集所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)為

當(dāng)采用K近鄰自適應(yīng)雙邊濾波算法對(duì)采集空間內(nèi)的噪聲及冗余數(shù)據(jù)點(diǎn)去噪處理后得新模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)為

式中：f ( x，y，z)為初始采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)；f′( x，y，z)為去噪處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)；n為平面法向量。

自適應(yīng)雙邊濾波因子α計(jì)算如下：

σ1為fi與鄰域間距離對(duì)fi的作用因子，即選取鄰域點(diǎn)數(shù)；σ2為fi與鄰域間距離向量在法向量n投影對(duì)fi的作用因子，即點(diǎn)云模型特征保持效果。

在實(shí)際濾波去噪中，σ1一般取值鄰域半徑，σ2一般取值領(lǐng)域點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。即：

2.2 程序設(shè)計(jì)

由三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪算法可知，利用三維激光掃描儀獲取結(jié)構(gòu)對(duì)象的橋面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，首先應(yīng)搜索目標(biāo)點(diǎn)云K近鄰域內(nèi)所有點(diǎn)并求出空間域高斯函數(shù)變量s與頻率域高斯函數(shù)變量v，進(jìn)而結(jié)合鄰域半徑σ1與領(lǐng)域點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ2計(jì)算出自適應(yīng)雙邊濾波因子α，最后進(jìn)行法向移動(dòng)并得到去噪后新模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見圖10）。

圖10 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波程序流程圖

3 結(jié)果分析

利用基于K近鄰自適應(yīng)雙邊濾波算法所編寫的程序，對(duì)有機(jī)玻璃模型橋原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型（點(diǎn)云數(shù)為155 970）進(jìn)行去噪處理后得到新點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型（點(diǎn)云數(shù)為92 392），如圖11所示。

圖11 濾波去噪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

獲取經(jīng)過(guò)降噪處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行平滑效果處理，在避免過(guò)度平滑后結(jié)合Geomagic Qualify中的3D比較功能進(jìn)行損傷／荷載工況橋面與無(wú)載無(wú)損工況橋面疊差，從而獲取不同荷載與損傷工況下的橋面豎向形變數(shù)據(jù)；圖12與13即為無(wú)損及有損工況下1級(jí)與2級(jí)荷載作用下的撓度云圖。

圖12 無(wú)損工況下不同荷載橋面撓度云圖（m）

分析無(wú)損與有損工況下橋面撓度云圖可知，橋面最大撓度位置處即為荷載加載位置，且加載側(cè)的下?lián)隙扰c對(duì)應(yīng)側(cè)的上撓度與實(shí)際形變分布相同；隨著荷載等級(jí)的增加，加載位置下?lián)隙入S之增加，對(duì)應(yīng)側(cè)上撓度加大；同時(shí)，相同荷載下作用下有損傷工況橋面形變量大于無(wú)損傷工況，表明依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲得的橋面撓度能定性體現(xiàn)不同荷載作用下不同損傷工況對(duì)應(yīng)的撓度變化。

分析圖12與表1可知，無(wú)損工況下依據(jù)三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)所獲取的處于一級(jí)和二級(jí)荷載作用下模型橋橋面最大形變值分別為0.7與3.0 mm，同時(shí)對(duì)應(yīng)百分表實(shí)測(cè)值分別為0.8與3.2 mm，最大誤差率為12.5%；分析圖13與表1可知，有損工況下最大形變值分別為2.6與7.4 mm左右，對(duì)應(yīng)百分表實(shí)測(cè)值分別為3.0與8.3 mm，最大誤差率為13.3%。綜上可知，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)所測(cè)量的撓度值與傳統(tǒng)百分表實(shí)測(cè)值較符合，表明可利用三維激光技術(shù)獲取橋面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在對(duì)原始進(jìn)行濾波降噪后結(jié)合Geomagic Qualify中的3D比較功能獲取荷載作用下目標(biāo)橋面的形變值。

圖13 有損工況下不同荷載橋面撓度云圖（m）

表1 三維點(diǎn)云撓度與實(shí)測(cè)撓度對(duì)比

4 結(jié) 論

本文針對(duì)一座有機(jī)玻璃模型橋依次開展了無(wú)損及有損工況下不同等級(jí)荷載的試驗(yàn)，通過(guò)利用橋面點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取了試驗(yàn)橋不同荷載作用下的撓度云圖，結(jié)論如下：

（1）利用三維激光掃描技術(shù)獲取橋面原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，結(jié)合相關(guān)濾波去噪算法與Geomagic Qualify中的3D疊差功能可實(shí)現(xiàn)不同工況下目標(biāo)橋面的形變測(cè)量，相較于傳統(tǒng)的點(diǎn)式位移計(jì)測(cè)量方法，該方法原則上可實(shí)現(xiàn)“面”上所有點(diǎn)的位移測(cè)量；

（2）通過(guò)分析加載側(cè)與對(duì)應(yīng)側(cè)撓度在不同工況作用下的變化規(guī)律，表明通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取的橋梁形變數(shù)據(jù)可表征多種荷載工況下結(jié)構(gòu)的撓度變化；

（3）對(duì)比基于三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量撓度云圖與傳統(tǒng)百分表實(shí)測(cè)最大值發(fā)現(xiàn)，本文方法測(cè)量最大誤差率為13.3%，表明可基于三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的形變數(shù)據(jù)采集，從而為橋梁的經(jīng)常性形變檢測(cè)提供一種新途徑。