王　贝１，叶险峰１，王军宁２

1.湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭

2.武汉天宝耐特科技有限公司，湖北武汉

摘要：三维激光扫描技术作为近年来发展迅速的测绘手段，在桥梁健康监测中，已经成为监测技术的重要组成部分。本文以武汉市某跨江大桥为例，首先采用TrimbleSX10三维激光扫描仪对桥梁进行长期监测扫描，并对桥梁钢结构和桥墩的点云进行切片；然后在TrimbleBusinessCenter和TrimbleRealWorks软件的帮助下对每期的扫描点云进行处理，提取桥拱断面点坐标并对桥墩切片点云进行最佳垂直圆柱体拟合，获取拟合平面中心点坐标；最后对比分析每期特征点平面坐标的偏差和三维偏移量。本文研究成果验证了三维激光扫描仪在桥梁变形监测中的可行性，丰富了桥梁监测数据的表现形式，可以为相关研究提供依据和参考。

关键词：桥梁形变；三维激光扫描；点云切片；最佳垂直圆柱体拟合；特征点

改革开放以来，经过40年的建设，我国公路、桥梁等基础设施建设已进入“建养并重”的阶段。我国危桥约占桥梁总量的15％，因此，现阶段的当务之急是对桥梁进行长期的健康监测及养护。目前，桥梁形变监测主要采用GPS或全站仪对特征点进行采集、分析，因测量点数据有限，且精度难以达到要求，该手段不适用于旧桥及危桥。三维激光扫描技术作为21世纪测绘领域出现的新技术，克服了传统测绘单点测量的局限性，在非接触的方式下，可以高密度获取目标物的点云及三维表面数据。本文基于TrimbleSX10扫描仪的功能优势，对武汉市某长江大桥进行长期监测，对每期扫描数据进行处理，对比分析完成桥拱的变形监测、桥墩垂直监测，通过分析挠度、三维偏移量等状态参数，得到桥梁的健康评估报告，以期为相关养护部门提供合理有效的决策依据，并为复杂环境的桥梁提供预警。

1

三维激光扫描及点云切片法的基本原理

1.1

三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又称为实景复刻技术，可以快速获取目标物表面的海量点云，具有非接触、点云密度大的特点，并根据获取的点云数据，真实还原被测物体。三维扫描仪数字化改变了传统数据采集和处理方法，在现场作业后，结合配套的数据处理软件对扫描点云进行预处理及转换，完成成果的展示与输出，可以很明显地反映出目标物的细节变化，为工程测量提供了新的技术支持，也逐渐被运用于变形监测领域。

本文使用的TrimbleSX10三维扫描仪，采用脉冲与相位相结合的方式，测距最远可至ｍ，测角精度达１″。同时，其闪电3DM技术兼具全站仪与扫描仪的功能，可以在获取高精度全站仪数据的同时捕获三维扫描影像。而且扫描点云具有绝对坐标，后续无需拼接和坐标转换，大大提高了作业效率。

1.2

点云切片基本原理

由于桥梁的组成部分（包括桥拱、桥墩等）外形多为曲面、柱体，在研究其变形情况时对整体进行分析比较困难，因此笔者首先将扫描获取的点云数据按一定比例间隔切片；然后以切出的点云片为基准进行拟合，获取圆心与切片位置；最后连接每期特征点三维坐标绘制曲线图，对比分析其变形趋势及变形量。

点云切片的研究是桥梁无固定点监测的重要一环，其是把整个桥梁分割成操作简单、工作量小的任意部位的点云块，叠加若干个块的分析结果，即桥梁的整体信息。

1.3

点云拟合基本原理

由于获取的点云切片经过降维处理，且桥梁组成部分大多为圆柱体，因此均匀离散点组合仅分布在周围圆环附近，不能反映桥梁变形，后续应该进行拟合分析。利用拟合得到的圆，提取圆心坐标，进而作变形分析。

2

数据采集

2.1

监测方案

试验对象为武汉市第三座汉江公路桥，是长.75ｍ，主跨.93ｍ，跨径ｍ的拱桥。该桥于年底通车，作为武汉市跨江大桥的主桥之一，桥上的交通量日益剧增。为了确保桥梁的安全并为后期的维护提供科学依据，现对该桥进行桥拱监测、桥面挠度检测、桥墩垂直度监测及河道水土流失监测。具体监测方案为：

（1）根据项目要求，建立监测控制网，作为每期监测数据的基准。在汉江两岸，布设固定棱镜，依托TrimbleSX10扫描仪，由于其具有测量流程的特点，每期扫描的点云数据，均为监测坐标系内的绝对位置，无需坐标转换，如图1所示。

图１　桥梁立面及现场扫描照

（２）每期对桥拱、桥墩进行扫描，在控制网布设时选择四边形方式，具有多余观测量，可提高扫描效率及降低点云间误差。

（３）事后对点云进行预处理，提取桥拱及桥墩线性数据，并进行对比分析。

2.2

扫描成果

整体项目扫描完成后，无需人工配准，所有数据统一在同一坐标系内，可细化点云并获取点云质量报告，保证数据质量，整体点云拼接精度为4ｍｍ。

TrimbleSX10三维激光扫描仪自带CCD摄像机，可获取彩色图像，对点云进行着色和全景图处理，使其一致。采集的全景图共由张照片叠加而成，全景图处理后，平滑过渡相邻图像的边沿，以减少差别。叠加真彩色点云于全景照片上，使其数据更加直观与丰富，如图2所示。

图２　点云处理及拼接精度

3

形变分析

3.1

桥拱形变监测

整体扫描完成后，提取纯净钢结构点云。将所获取的点云数据导入TrimbleBusinessCenter中进行形变分析，在模型中选取两期数据对比分析。首先以平行于桥面方向为Ｘ轴，汉江下游垂直桥面方向为Ｙ轴，垂直于桥面方向为Ｚ轴，建立点云坐标系，并对桥拱进行切面。然后提取拱梁点云数据，与影像结合查看切面点云位置是否分布均匀及准确，如图3所示。

同理，对第２期扫描数据重复以上步骤，将CAD点坐标输出后绘制高程曲线图，成果如图４所示。两期数据模型对齐且在同一坐标系下，可以看出整体无明显差异。

依据该扫描仪DR免棱镜技术及结合近景摄影测量技术，对桥梁钢梁结构进行切面，提取特征点。两期点云使用同样的里程断面提取特征点，每期点云获取65个断面点，对断面点的平面坐标（Ｘ,Ｙ）进行对比分析，计算出每个点及三维方向的偏差值，如图５所示。

图３　桥拱切面点云处理

图４　两期高程曲线图对比

图５TrimbleBusinessCenter中断面点偏差值

后续使用TrimbleRealWorks软件对两期点云数据进行整体偏移量检测，可以看出整体点云的偏差中误差为0.ｍ，与特征点检测结果基本一致，如图６所示。

图６　TrimbleRealWorks中整体偏移量检测

通过以上监测分析，可以得出结论：桥拱曲率平滑，且两期数据无明显变化；通过特征点提取分析，整体钢梁结构高程中误差为0.ｍ，无明显变形；整体钢梁结构平面偏移中误差为0.ｍ。桥拱整体误差的主要原因为运行中大桥会存在荷载震动，以及扫描角度导致。

3.2

桥墩垂直度检测

桥墩垂直度检测是桥梁墩柱施工质量检验的关键性指标，是影响桥梁安全的重要部分。本文对象主要是晴川桥的引桥。在对引桥桥墩进行垂直度检测前，首先对扫描的整体点云数据进行分割预处理，以获取纯净桥墩点云，分割后的桥墩点云如图７所示。

图７　桥墩点云

首先利用软件平面切割功能对引桥桥墩点云进行切面，按监测坐标系垂直于Ｚ轴进行切面，切面厚度为0.01ｍ，切面间隔为0.5ｍ，得到22个切面数据，保存底面与顶面数据，如图８（ａ）所示。然后对切面点云进行垂直圆柱体拟合，得到点云切面拟合平面，拟合点云时可获取拟合后几何体的标准偏差。以图８（ｂ）—（ｃ）为例，0.01ｍ的切面点云有90个点云数据，进行垂直圆柱体拟合后的几何体标准偏差为1.ｍｍ，因此完整的数据信息可以保证数据的可靠性。同时可以查看拟合后几何体的属性数据，得到几何体的中心点坐标，显示的坐标精度位数可自行设置，桥墩底面向上对切面几何体圆中心位置进行统计。

图８　桥墩切面及拟合参数

桥墩垂直度检测主要内容就是计算桥墩三维偏移量。以桥墩底面中心点位参考点获取差值，各方向变形量如图９所示。

图９　桥墩各个方向变形量

最后从底面中心点向顶面中心点进行坡度测量。在测量模块中选择点Ａ1，将该点设置为要测量角度的顶点，再浏览场景并选择新点Ａ22，该点与第一个点组成要测量角度的第一部分。角测量将在顶点Ａ1、Ａ22和Ａ22在ＸＹ平面中的投影之间进行，结果显示在三维视图中。同时，测量结果信息将以文本形式显示，可以看出坡度为89.89°，即桥墩倾斜度为0.°，如图１０所示。

图10　桥墩坡度

4

结论

本文阐述了三维激光扫描技术在桥梁变形监测中的可行性，并结合晴川桥应用的案例，进行监测方案设计，对每期的桥拱、桥墩的点云数据进行切面和数据处理，最后对比分析得出以下结论：

（１）晴川桥桥拱整体钢梁结构高程中误差为0.ｍ，整体刚梁结构平面偏移中误差为0.ｍ，无明显变形。

（２）引桥桥墩倾斜度为0.°。

本文只选取了桥梁拱度与引桥桥墩进行数据分析，对于更多的桥型及结构（如斜拉桥桥塔、拉索等结构）也可利用三维激光扫描技术进行变形监测、检测；后期也可根据本文成果做桥面的挠度检测及河道两旁水土流失研究。现阶段许多桥梁的初期图纸资料已缺失，而三维激光扫描技术可以提供新型可视化手段。当然，如何根据点云数据构建桥梁BIM模型，为后期安全管理给予保障，需要进一步研究。

参考文献：

［1］　贺志勇，欧阳俊峰，邱艳芳，等.三维激光扫描技术在桥塔监测上的应用［Ｊ］.筑路机械与施工机械化，，36（7）：99-．

［2］　倪家明，刘学，聂忠权．三维激光扫描技术在桥梁变形监测中的应用［Ｊ］.公路交通科技（应用技术版），，13（8）：-.

［3］　郑贤泽，朱艳军，陶旭.三维激光扫描技术在地形测量中的应用分析［Ｊ］.城市勘测，（1）：-.

［4］　刘鹏.三维激光扫描技术在建筑工程施工变形监测中的应用［Ｊ］.中国科技信息，（10）：44-45.

［5］　王健.高桥墩垂直度无接触检测的便携方法［Ｊ］.华北理工大学学报（自然科学版），，42（3）：59-65．

［6］　金保平.三维激光扫描仪在桥墩垂直度测量中的应用［Ｊ］.北京测绘，，34（2）：-．

［7］　宋嘉.超高墩垂直度控制技术与限值研究［Ｄ］.重庆：重庆交通大学，．

［8］　黄承亮.激光扫描技术下桥梁变形监测方法的研究［Ｊ］.测绘通报，（S1）：-．

［9］　耿波，段琼林，孔小军，等.基于应变的桥墩垂直度监控方法研究［Ｊ］.城市道桥与防洪，（12）：48-50．

［10］黄承亮.三维激光扫描技术应用于桥墩垂直度测量的方法研究［Ｃ］//全国工程测量技术研讨交流会论文集.北京：测绘出版社，．

［11］耿璐，苏进星.桥梁变形监测方法应用研究［Ｊ］.公路与汽运，（3）：-．

［12］欧阳俊峰.基于三维激光扫描技术的现役桥梁变形监测应用研究［Ｄ］.广州：华南理工大学，．

［13］姚明博.三维激光扫描技术在桥梁变形监测中的分析研究［Ｄ］.杭州：浙江工业大学，．

［14］司梦元.基于地面三维扫描的桥梁空间变形监测方法与应用研究［Ｄ］.重庆:重庆交通大学，．

［15］张弛.基于点云切片提取技术的隧道变形监测的方法研究［Ｄ］.武汉:武汉理工大学，．

（责任编辑：胡　淼）

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