基于點云和實景數(shù)據(jù)的橋梁養(yǎng)護信息化

夏曉亮，姚金悅，卞勝平（.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 57；.東南大學交通學院，江蘇 南京 0096；.泰州市鼎益建設(shè)工程有限公司，江蘇 泰州 500）

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)作為一種具有高效率、高質(zhì)量的新型技術(shù)理念，在我國建筑工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1]。目前，BIM 技術(shù)在我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用仍處于探索階段，而橋梁建設(shè)作為我國交通網(wǎng)建設(shè)中的重要節(jié)點，在運維和養(yǎng)護過程中面臨病害管理的難題。國內(nèi)主流的橋梁病害記錄方式分為數(shù)據(jù)庫管理和橋梁病害管理軟件兩大類，存在檢測效率、精度低下、無法直觀精細標定病害位置信息等缺陷。通過 BIM 自動化建模技術(shù)對橋梁病害信息進行三維可視化采集與管理，可以極大減輕橋梁維護人員的工作強度，提高橋梁檢測維護效率，提升橋梁工程建設(shè)水平，推動交通智能化建設(shè)。

本文以激光點云掃描測量技術(shù)、無人機傾斜攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合利用點云參數(shù)化模型和三維實景模型的優(yōu)勢，運用 Real Works 和 Context Capture 等軟件，在國內(nèi)外現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行基于點云和實景數(shù)據(jù)融合的 BIM建模關(guān)鍵技術(shù)研究，探索了基于激光掃描和傾斜攝影數(shù)據(jù)的BIM 技術(shù)在橋梁工程信息化管理中的應(yīng)用。

1 基于數(shù)據(jù)融合的橋梁信息化管理方法

基于數(shù)據(jù)融合的橋梁信息化管理方法本質(zhì)是建立起橋梁幾何參數(shù)、力學響應(yīng)數(shù)據(jù)和病害數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，提高橋梁病害檢測精度與效率，最大化減少由于檢測信息更新不及時導致的嚴重衍變病害。本文結(jié)合實際工程，提出了一套基于點云和實景數(shù)據(jù)融合的橋梁信息化管理方法。

1.1 數(shù)據(jù)融合建模

目前，基于數(shù)據(jù)融合的三維實景建模技術(shù)已在工程實踐中得到了成功應(yīng)用，傾斜攝影和激光點云掃描技術(shù)融合建模因具備明顯的技術(shù)優(yōu)勢互補性，當前已成為國內(nèi)外學者研究熱點[2]。傾斜攝影可輕松實現(xiàn)服役橋梁結(jié)構(gòu)快速、高效、厘米級成像，但存在數(shù)據(jù)精度低、區(qū)域貼圖易受遮擋丟失等問題；激光點云掃描可對橋梁結(jié)構(gòu)進行毫米級參數(shù)化三維刻畫，但存在外業(yè)測量效率低、多站式數(shù)據(jù)拼接等缺陷。二者融合建?？纱蠓嵘龢蛄喝S模型的完整度、精細度與生產(chǎn)效率。結(jié)合現(xiàn)場實圖、點云模型、航攝實景等數(shù)據(jù)可建立實際橋梁的參數(shù)化模型，進一步搭建信息化管理平臺。

1.2 橋梁病害信息化管理

近年來，信息化管理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護中。橋梁在服役過程中受到橋型結(jié)構(gòu)、環(huán)境氣候、交通量等因素的影響，在復(fù)雜力學響應(yīng)情況下不定期表現(xiàn)出多樣化的病害問題。針對服役橋梁建立三維可視化模型不僅可以測量縱坡、結(jié)構(gòu)物直徑、視線角度等幾何參數(shù)，還能獲取鋪裝層表面如裂縫長度、坑槽面積、車轍深度等病害信息。

通過在關(guān)鍵部位埋設(shè)傳感器的方式，結(jié)合力學指標波動程度制定點云掃描和傾斜攝影測量周期，以實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)變形與病害衍生監(jiān)測。以點云、實景模型和現(xiàn)場記錄信息作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在 BIM 橋梁管理平臺中的集成高精度三維模型，完成病害的可視化標記。BIM 橋梁管理平臺集成了病害所處空間位置、病害類型、損壞程度、實拍圖像、檢修狀態(tài)、檢修日期與人員等多維度信息于一體。

2 點云與實景數(shù)據(jù)采集與建模

2.1 工程概況

工程基于蘇州太倉市的楊林塘大橋展開應(yīng)用研究，該橋為全長 730.02 m、橋面總寬 30 m、瀝青混凝土鋪裝的預(yù)應(yīng)力三跨 V 型墩直腹板變截面連續(xù)剛構(gòu)橋。自 2008 年通車運營以來歷經(jīng)拓寬重建、橋欄桿維修及支座維修，面臨鋪裝病害、結(jié)構(gòu)安全等問題，選取其作為數(shù)據(jù)融合信息化管理養(yǎng)護的研究對象。

數(shù)據(jù)融合建模階段涵蓋了橋梁點云參數(shù)化模型與三維實景模型的建立。該階段作為信息化管理的開始，首先對測區(qū)制定測量方案，通過三維激光掃描儀的測程范圍確定測站布設(shè)方式，利用路徑規(guī)劃軟件制定無人機傾斜攝影飛行方案。完成實地測量后，借助 Trimble Real Works 軟件和 Context Capture 軟件分別對點云數(shù)據(jù)、實景圖像進行拼接、去雜、生產(chǎn)等數(shù)據(jù)處理。在橋梁信息化管理階段，利用上一階段得出的模型可進行橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、病害參數(shù)的直接觀察測量，開發(fā)了楊林塘大橋的信息管理平臺。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理與參數(shù)化

結(jié)合工程經(jīng)驗對大橋共布設(shè) 47 個測站，其中橋面兩側(cè)左右交錯布設(shè) 41 個，橋梁下方中間布置 2 個，墩柱位置處兩側(cè)各布設(shè) 2 個。 采用掃描速度 100 萬點/s，測程 120 m的 TX 8 三維激光掃描儀對大橋進行多站式掃描測量。通過平面標靶和球型標靶兩種基于控制點的人工配準方法來實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的多站拼接工作。

由于測量時存在激光入射角過大、掃描面細節(jié)特征突出、橋面有車輛瞬時行駛等情況，因此拼站后得到的激光點云數(shù)據(jù)包含遮擋點、錯誤點、測量隨機誤差點等無效數(shù)據(jù)類型[3]。利用 Trimble RealWorks 軟件針對噪聲點和誤差點進行截取去除，經(jīng)去噪、光順、著色等操作后得到數(shù)據(jù)預(yù)處理后的點云模型。

2.3 傾斜攝影實景輸出

本工程采用的天鷹 HD 1600 六旋翼無人機集高性能處理核心、GNSS 定位系統(tǒng)、多功能傳感器搭載平臺等優(yōu)勢于一體，實際飛行任務(wù)中通過改裝雙鏡頭相機實現(xiàn)了拍攝頻率的計算機自動化控制。飛行前實地考察測區(qū)地域特征，使用Mission Planner 軟件進行無人機航線規(guī)劃。方案確定無人機飛行分為三個架次，分別為160 m 高度的兩個架次和 180 m 高度的整體架構(gòu)，其中前兩個架次采用傾斜攝影重點拍攝側(cè)向紋理，整體架次則采用垂直攝影補拍細節(jié)紋理，飛行過程中需注意風速、風向、太陽光角度等因素的影響。

使用 Bently 公司開發(fā)的 Context Capture 軟件對圖像數(shù)據(jù)進行空間三角測量自動計算。Context Capture 軟件具備還原度高、數(shù)據(jù)量小、兼容性強等優(yōu)點[4]，空三過程中將自動計算拍攝位置并對相同位置點進行加密計算，完成切塊計算、材質(zhì)賦予、搭建三角網(wǎng)等生產(chǎn)過程后得到可在 Acute 3d Viewer 瀏覽器中查看的三維實景模型。

3 工程應(yīng)用效果

通過 Trimble RealWorks 軟件查看上節(jié)中提到的基于激光點云數(shù)據(jù)建立的 BIM 參數(shù)化模型，可輕松測量縱坡、直徑、角度等橋梁結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)。另外，軟件的平面切割工具可以得到現(xiàn)有橋梁的 CAD 二維設(shè)計圖紙，作為后期改擴建工程設(shè)計的依據(jù)。點云逆向測量應(yīng)用效果如圖 1 所示。

圖1 點云逆向測量效果

在 Acute 3d Viewer 瀏覽器對實景模型進行橋面鋪裝病害的識別與測量，可極大地減輕橋梁維護檢修人員的工作強度，提高橋梁檢測維護精度與效率。圖 2（a）所示的是橋面鋪裝某處裂縫長度的測量，修復(fù)的坑槽面積測量如圖 2（b）所示，測量結(jié)果與橋梁實體誤差控制在 0.5 mm 以內(nèi)。

在上述全部模型創(chuàng)建完畢后，進行模型的整合處理，搭建內(nèi)含病害信息、檢測日志、巡檢任務(wù)、巡檢流程等模塊的橋梁信息化管理平臺。管理平臺在生成可視化病害標記體的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)病害類別、位置、檢修情況等信息的集成統(tǒng)一，三維可視化病害標記體如圖 2（c）所示。通過新增、更新病害數(shù)據(jù)記錄，逐步形成橋梁在服役期間的病害歷史數(shù)據(jù)庫如圖 2（d）所示。

圖2 楊林塘大橋信息化管理平臺

3 結(jié) 語

本文綜合利用激光點云掃描和無人機傾斜攝影的技術(shù)優(yōu)勢，進行基于點云和實景異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的建模關(guān)鍵技術(shù)研究，以蘇州太倉市楊林塘大橋工程為例，建立了集成融合數(shù)據(jù)的橋梁信息化管理平臺，探索了基于激光掃描和傾斜攝影數(shù)據(jù)的信息化技術(shù)在橋梁養(yǎng)護管理中的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護方式，本文提出的方法可以極大減輕橋梁維護人員的工作強度，提高橋梁維護效率和鋪裝層壽命，彌補傳統(tǒng)養(yǎng)護方式中速度慢、全局性差、可視化程度低、安全性差等缺陷。通過構(gòu)建橋面鋪裝病害修復(fù)數(shù)據(jù)庫，進而建立橋梁全生命周期內(nèi)的信息化管理機制和橋梁全生命周期鋪裝養(yǎng)護智能決策系統(tǒng)，為橋梁后期運營養(yǎng)護提供可靠直觀的科學依據(jù)。