關(guān)鍵詞：三維激光,道路橋梁,變形測(cè)量方法研究

　　1.引言

　　橋梁變形可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。前者是指變形觀測(cè)的結(jié)果只表示在某一期間內(nèi)的變形值;后者指在外力影響下產(chǎn)生的變形，它是以外力為函數(shù)來表示的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，觀測(cè)結(jié)果表示橋梁在某個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)變形。

　　橋梁變形產(chǎn)生的原因很多，橋墩臺(tái)地基的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、土壤的物理性質(zhì)、水位變化、大氣溫度、地震等都會(huì)導(dǎo)致橋墩臺(tái)不均勻沉陷，使橋跨結(jié)構(gòu)傾斜;土基的塑性變形也會(huì)引起均勻沉陷;臺(tái)風(fēng)、車載以及超期服役、腐蝕、疲勞、車、船的沖擊、碰撞和爆炸等許多不定時(shí)或不可確定的危害性事件也是其中原因。墩臺(tái)與梁的結(jié)構(gòu)、型式;作用在橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載與作用墩臺(tái)的恒載;活載的作用(如車輛通過時(shí)的震動(dòng)、風(fēng)力等)。勘測(cè)、設(shè)計(jì)的不合理;沒有按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定規(guī)范施工;運(yùn)營(yíng)、管理工作的不恰當(dāng)?shù)纫矔?huì)使橋梁產(chǎn)生變形。

　　道路橋梁在施工過程和使用期間，由于上述各種原因的存在，橋梁肯定會(huì)出現(xiàn)變形，如果這種變形超過規(guī)定允許的限度，就會(huì)影響正常運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及橋梁的安全壽命。因此，查明橋梁變形的原因并對(duì)其進(jìn)行變形測(cè)量是十分必要的。

　　2.橋梁變形傳統(tǒng)測(cè)量方法

　　垂直位移觀測(cè)采用的是精密水準(zhǔn)測(cè)量法和精密跨河水準(zhǔn)測(cè)量法;在橫向位移觀測(cè)中，遇到直線橋梁則應(yīng)按照基準(zhǔn)線法觀測(cè)(如測(cè)小角法和活硯牌法)，如果是曲線橋梁，就需要利用導(dǎo)線測(cè)量方法;縱向位移觀測(cè)通常采用的是最精密的光電測(cè)距儀(如橋跨距較短)，用特制的鋼線尺來測(cè)定兩相鄰橋墩之間的跨距變化;橋跨結(jié)構(gòu)的恒載和活載撓度觀測(cè)主要采用四等水準(zhǔn)測(cè)量。

　　此方法靈活性高，適用于各種結(jié)構(gòu)形式的橋梁和不同的外界條件以及精度要求;把觀測(cè)組成了網(wǎng)狀，便于進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的處理和精度評(píng)定;可以提供橋墩臺(tái)和橋跨結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)。但是，此方法外業(yè)工作量大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，連續(xù)監(jiān)測(cè)及測(cè)量過程的自動(dòng)化問題也不容易解決。

　　3.利用三維激光掃描儀測(cè)量橋梁變形

　　三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)高新技術(shù)，是一種利用激光測(cè)距原理(包括脈沖激光和相位激光)，瞬時(shí)測(cè)得空間三維坐標(biāo)值的測(cè)量?jī)x器，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場(chǎng)景的三維可視化模型，既省時(shí)又省力。

　　激光三維掃描技術(shù)是將激光測(cè)距技術(shù)、激光跟蹤技術(shù)、激光測(cè)速技術(shù)、激光成像技術(shù)等多種激光測(cè)量技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起構(gòu)成的激光三維成像掃描儀和系統(tǒng)軟件組成的綜合測(cè)量系統(tǒng)。激光三維掃描技術(shù)能夠快速、高精度、非接觸、直接獲取研究對(duì)象表面空間三維數(shù)據(jù)，其獨(dú)特的空間數(shù)據(jù)采集方式使其具有多方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　3. 1　三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

　　在目前各種測(cè)量手段和方法之中，相比之下，三維激光掃描技術(shù)來進(jìn)行地質(zhì)測(cè)量具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物，快速獲得原始測(cè)繪數(shù)據(jù);可以真正從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，無需進(jìn)行任何實(shí)物表面處理，其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠，具有精度高、速度快、逼近原形等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)歸納起來具有如下一些特點(diǎn)：

　　(1)非接觸測(cè)量

　　三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測(cè)量，無需反射棱鏡，對(duì)掃描目標(biāo)物體不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。可以用于解決危險(xiǎn)目標(biāo)、環(huán)境(或柔性目標(biāo))及人員難以企及的情況，具有傳統(tǒng)測(cè)量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　(2)　數(shù)據(jù)采樣率高

　　目前，采用脈沖激光或時(shí)間激光的三維激光掃描儀采樣點(diǎn)速率可達(dá)到數(shù)萬點(diǎn)/秒，而采用相位激光方法測(cè)量的三維激光掃描儀甚至可以達(dá)到數(shù)十萬點(diǎn)/秒。可見采樣速率是傳統(tǒng)測(cè)量方式難以比擬的。

　　(3)　主動(dòng)發(fā)射掃描光源

　　三維激光掃描技術(shù)采用主動(dòng)發(fā)射掃描光源(激光)，通過探測(cè)自身發(fā)射的激光回波信號(hào)來獲取目標(biāo)物體數(shù)據(jù)信息，因此掃描過程中，可以實(shí)現(xiàn)不受掃描環(huán)境的時(shí)間和空間的約束。

　　(4)　高分辨率、高精度

　　三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可以對(duì)掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的，對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量精度也完全滿足一般測(cè)量需求。

　　(5)　數(shù)字化采集，兼容性好

　　三維激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字特征，易于后期處理及輸出。用戶界面友好的后處理軟件能夠與其他常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享。

　　3.2 surphaser三維激光掃描儀工作原理

　　Surphaser 三維激光掃描儀是按照美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的測(cè)繪產(chǎn)品，廣泛用于工業(yè)測(cè)量、考古和文物保護(hù)、工程測(cè)繪和科學(xué)研究，從帕特農(nóng)神廟的數(shù)字化保護(hù)到NASA空間站及飛行器的測(cè)量，Surphaser 充分體現(xiàn)了快速、高精度的特點(diǎn)，是最新三維激光測(cè)量技術(shù)的體現(xiàn)。

　　其具有以下特點(diǎn)：

　　(1)最高掃描速度(120萬點(diǎn)每秒)與高精度(0.3毫米精度)和優(yōu)秀的掃描品質(zhì)(0.07毫米噪音)的結(jié)合。

　　(2)涵蓋從0.2米到140米的掃描范圍

　　(3)超低噪音數(shù)據(jù)和亞毫米的精度

　　(4)高掃描密度，質(zhì)量相當(dāng)于100M像素?cái)?shù)碼照片

　　(5)防塵防水設(shè)計(jì)，可輕松工作在室內(nèi)或室外環(huán)境

　　(6)高質(zhì)量、精確的掃描數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為多種格式，用于常用點(diǎn)云后處理軟件(Polyworks，Realworks Survey，Leica Cyclone，Geomagic等)

　　3.3數(shù)據(jù)處理

　　SurphExpressStandard是Surphaser三維激光掃描儀的專有平臺(tái)，可以對(duì)掃描儀進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　　(1) 對(duì)掃描儀硬件自診斷和自動(dòng)校正

　　(2) 對(duì)掃描儀實(shí)時(shí)控制

　　(3) 進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)壓縮

　　(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和掃描質(zhì)量控制

　　(5) 快速度預(yù)覽掃描

　　(6) 用戶可自由設(shè)置掃描區(qū)域以提高工作效率

　　(7) 多種掃描模式及掃描密度的設(shè)計(jì)可以勝任更多的掃描項(xiàng)目

　　(8) 掃描完成數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出多種格式，方便用戶導(dǎo)入適合自己的軟件進(jìn)行后期處理。

　　(9) 獨(dú)有的視圖窗口可以對(duì)掃描的數(shù)據(jù)以二維和三維的方式進(jìn)行查看。

　　(10) 平臺(tái)自帶的數(shù)據(jù)過濾器可以過孤立有用數(shù)據(jù)去除不可靠數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

　　4變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用

　　對(duì)于既有道路橋梁來說，由于橋梁墩臺(tái)較高，利用傳統(tǒng)的測(cè)量方法，比如在橋梁幾處認(rèn)為受力和變形大的地方貼應(yīng)變片，通過位移來獲得橋梁的變形，但這僅僅能反應(yīng)這幾點(diǎn)處的變形情況，很不全面，每一點(diǎn)的測(cè)量費(fèi)時(shí)都在2-5秒不等，更甚者，要花幾分鐘的時(shí)間對(duì)一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，在數(shù)字化的今天，這樣的測(cè)量速度已經(jīng)不能滿足測(cè)量的需求，而且不能完全反映整個(gè)橋梁的實(shí)際變形情況，我們采用Surphaser三維激光掃描儀可以獲得最直接最直觀的圖像信息，同時(shí)也獲得了相對(duì)應(yīng)的變形數(shù)據(jù)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景。

　　我們通過對(duì)國(guó)道312線某橋梁進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)，應(yīng)用效果較好，圖像清晰，數(shù)據(jù)完整，對(duì)橋梁的三維變形情況有了更好地掌握。

　　5結(jié)論

　　文中提出采用三位激光掃描儀對(duì)既有的道路橋梁變形情況進(jìn)行三維掃描測(cè)量，這是一種全新的方式，具有較好的應(yīng)用前景，獲得的數(shù)據(jù)量大，對(duì)橋梁變形的測(cè)量更全面，同時(shí)因?yàn)槠渚哂胁杉瘓D像的功能，直觀性很強(qiáng)，可以對(duì)橋梁的實(shí)際情況把握性更強(qiáng)，方便我們對(duì)橋梁的加固維修，作出更有效的判斷，但是其也有一定的局限性，三維激光掃描技術(shù)是一個(gè)新生事物,其技術(shù)上還有很多地方需要改進(jìn)和提高,如①受到安全激光功率的局限,掃描距離和范圍有限;②特定材料對(duì)激光光源反射不夠敏感,造成掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)盲區(qū)，如潮濕的地表和綠色植被對(duì)掃描結(jié)果都有較大的影響;③掃描激光光斑隨距離的增加而變大，造成掃描結(jié)果中物體邊緣細(xì)節(jié)難以識(shí)別;④三維處理軟件功能有待進(jìn)一步完善。比如當(dāng)橋梁位于水中的時(shí)候，就比較困難，但總的來說，利用三維激光掃描儀進(jìn)行橋梁的變形監(jiān)測(cè)具有較廣的應(yīng)用前景，有一定的研究?jī)r(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. 三維激光掃描測(cè)量在汶川地震后都汶公路快速搶通中的應(yīng)用. 董秀軍.黃潤(rùn)秋工程地質(zhì)學(xué)報(bào).2008.16

　　2. 大型橋梁產(chǎn)生變形的原因及監(jiān)控方法. 呂佳澤.北方交通.2010.4

　　3. 激光三維掃描技術(shù)在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究.李秋,秦永智. 煤炭工程.2006.4

　　4. 基于 LIDAR 的鐵路線路工程測(cè)量應(yīng)用研究.譚俊.科技資訊.2010(27期)

　　5. 基于車載激光掃描的公路三維信息提取. 李永強(qiáng),盛業(yè)華等. 測(cè)繪科學(xué). 2008年7月