三维激光扫描在桥梁检测中的应用

三维激光扫描在桥梁检测中的应用

毛云松 , 郭岑怡 , 朱俊臻

中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南，昆明， 650000

摘要：截至到目前，我过在公路桥梁建设方面已经取得了很大的发展，已经建成了约83万座桥，另外，我国每年还有大约2~3万座桥正在建设。但是在桥梁使用的过程中因为自然因素、超载问题、等桥梁结构会出现很多问题，影响桥梁的使用。本文基于三维激光扫描在桥梁检测中的应用展开论述。

关键词：三维激光扫描；桥梁检测中；应用

引言

近几年来，三维激光扫描测量系统凭借集成化程度高、生产效率高、周期短、成果类型丰富和应用领域广泛等特点，受到测绘行业和用户的追捧。目前，其主要部件都是国外生产，售价较贵，一定程度上阻碍了在国内的应用。国内高新企业的加入加快了它的研发与生产进度，不久的将来，自主研发的三维激光扫描测量系统就能在测绘生产得以广泛运用，这将给我国社会经济建设、空间数据发展和测绘行业的更新换代带来深远影响。

1三维激光扫描测量系统具有的优势

三维激光扫描测量系统的硬件主要由激光扫描传感器、航测相机、惯性导航系统、全景影像系统和差分定位系统（DGPS）组成，能够自动、快速、精确地采集空间三维数据。具有受天气环境影响小、数据采集时间短、效率高、生产成本低等特点。

该系统具有以下5种优势。1）是一种非接触式主动测量方法，受环境影响和限制较小。2）与传统测绘相比较，通过差分定位系统（DGPS）控制工作可以大大减少，根据测区大小、精度要求只需要布设一个或多个GPS基准站。3）采集速度快、测量精度高、外业作业工作量少，处理自动化程度高。4）可以安全地对危险地区进行远距离、高精度的三维测量。5）穿透性，基于多次回波原理，激光能穿透植被达到目标表面。

2三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术于上世纪９０年代中期逐渐发展成熟，其原理和全站仪测距测角的原理类似，不同点在于三维激光扫描技术采用非接触方式，通过发射高速激光束测量物体的表面信息，同时自动记录大量的密集点云数据，再通过计算可大面积、高分辨率地快速复建出被测物体的空间点位信息并构建三维模型，因此它又被称作为“实景复制技术”。

地面三维激光扫描技术是继ＧＰＳ技术以来又一新突破的测绘技术，推动了测绘领域的快速发展。传统的地形三维数据采集可分为两类型：一是以单点采集，即通过采集离散点的三维数据实现地形图的绘制工作，主要方法仪器有全站仪、ＧＰＳ、经纬仪等，该类测绘方法在测绘过程中所需时间长，且地形复杂区域存在采点困难、效率低等弊端；二是以面采集，如遥感技术、摄影测量技术等，即通过航拍影像获得大批量三维坐标，具有采点效率高的特点，但是影像处理耗费时间较长。三维激光扫描技术以高精度逆向三维建模以及重构技术为基础，实现了“实景复制”技术，即通过获得测绘区域的三维坐标数据和照片，进而建立实体或实景的三维立体信息，经过重构三维数据模型处理，快速的提取测绘区域的坐标信息因此，三维激光扫描技术在测绘领域具有广泛的应用，逐渐应用于地表形变监测、虚拟现实、三维立体建模和地形测绘、土石方量测量等领域。

三维激光扫描技术是继ＧＰＳ之后兴起的又一项高新测量技术，其突破了单点测量的传统方式，采用非接触测量精确地获取到被测物体的空间几何信息，通过密集的点云数据快速复建出物体的三维模型，将其应用于地下空间的三维模型构建中具有无可比拟的优势。

三维激光扫描仪采集到的点云数据是以扫描坐标系为基准的，扫描坐标系的定义为：以发射激光束处为该坐标系原点，Ｘ轴为扫描仪水平转动轴的零方向，Ｚ轴为扫描仪水平时的天顶方向（理论竖直轴），Ｙ轴与Ｘ轴、Ｚ轴成右手坐标关系，三维激光扫描技术测量原理如图１所示。

图１中α为扫描仪测量到的水平角，θ为扫描仪测量到的竖直角，Ｓ为坐标原点到监测点的距离，那么就可以用式（１）来表示监测点在扫描坐标系中的坐标。

3桥梁质量定期检查工作体系及操作方法

在桥梁检测技术方面，随着时代的发展与科技的发展，检测技术同样在不断地进步完善。桥梁系统的结构有很多种，想要完全了解桥梁系统的结构，只有在规定时间内，全面性地实施对桥梁质量的检测，完成桥梁工作的整体检查，才能更有效地保证桥梁的安全性。对桥梁质量进行测试工作时，其内部的任何一个细节都要进行仔细的质量检验工作，通过这些细节，确保公路桥梁施工在特殊情况下的安全性应急处理能力。想要保证桥梁的质量，必须正确分析和保证桥梁结构中的每一个小结构，熟悉相关法律法规，按照相关规定执行工作制度。近年来，中国不断实施质量管理和维护管理体系桥梁的检查工作，并根据内部划分几个独立的部分，根据桥梁的重要性也分为重要部分和通用部分。

4工程实例分析

西丽大桥全桥长380m。桥梁上部结构主桥为不对称钢砼混合体系独塔单索面斜拉桥，桥塔高43．88m，为“H”型截面，全桥共设4根斜拉索。主桥长150m，纵向跨径组合为:30m(钢箱梁)+80m(钢箱梁)+40m(砼箱梁)。桥宽24．4m，桥梁横向布置为:3m(人行道)+8．2m(车行道)+2m(索保护带)+8．2m(车行道)+3m(人行道);引桥为钢筋砼等高度连续箱梁，一联桥长115m，纵向分跨为:30m+30m+30m+25m(砼箱梁);桥宽18．0m，横向布置为:0．5m(防撞栏)+8．2m(车行道)+0．6m(防撞栏)+8．2m(车行道)+0．5m(防撞栏)。

5采集扫描数据

对于桥梁等大型建筑，单一站点的扫描不能完整地采集桥梁的整体模型，故需围绕目标设置多个站点进行全方位数据采集扫描。根据桥梁的实际环境，计划在桥塔周边布置6个站点，在桥梁主桥周边布置8个站点进行扫描，扫描过程使用仪器配备的标靶球作为两站点之间的拼接控制点。

6桥梁变形监测

2次不同时期的三维激光扫描，并生成桥塔的点云数据A和B，其中点云数据A为初次数据，点云数据B为半年后的数据。

（1）模型对齐与分析，使用Geomagic Qualify软件导入2期点云数据A和B，定义模型A为参考模型，模型B为测试模型。将2期模型进行“基于特征对齐”，使2期模型对齐并适用同一坐标系。使用“贯穿对象截面”创建截面，通过“2D比较”则可计算同一截面的偏差;使用“3D比较”功能对后期模型进行分析，得到模型的整体偏差。

（2）分析结果经过分析，得到模型间的点云偏差，并生成色谱图和偏差表。色谱图中颜色的深浅表示测试对象和参考对象的尺寸偏差，能够直观地查看桥塔的变形情况。偏差表则便于对变形数据的整理，可用于后续的统计。

结束语

安全是任何一个建筑领域都需要注意的最重要问题，其中公路桥梁的质量安全控制更是尤为重要。对于公路桥梁的监督管理这一块想要准确地开展安全系列的工作，那每个企业在管理方面都必须有一套正规系统化的专业体系，这些体系能为公路桥梁的建设过程带来大量的数据，且这些数据都是有科学依据在里面，对于公路桥梁的基础建设有着一定的支撑力。

参考文献

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