1、引言
重慶是山地城市，溝谷、河流縱橫，被譽(yù)為橋梁之都，它們的安全運(yùn)營、使用直接關(guān)系到人民的安全及出行。為提高變形監(jiān)測效率，降低安全隱患，避免監(jiān)測目標(biāo)的損傷，獲取更多的大橋體的變化信息，將地面三維激光掃描技術(shù)引入到橋梁變形監(jiān)測領(lǐng)域，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。我院一直對長江和嘉陵江上的十多座橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測測，每次監(jiān)測投入的人力較多，時(shí)間長，安全隱患大。本文以李家沱大橋2號塔柱的變形監(jiān)測為例，從激光掃描測量儀器設(shè)備的精度測試、數(shù)據(jù)后處理的理論與方法、誤差的成因及影響，討論了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)的可行性、技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題，從而進(jìn)一步推動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用。
2、地面三維激光掃描測量工作原理與特點(diǎn)
2.1工作原理
激光掃描儀的測距方法是根據(jù)光學(xué)三角測量的原理，以激光作為光源，通過掃描儀內(nèi)的發(fā)射裝置，將激光束投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，通過測量每個(gè)激光脈沖，從發(fā)出經(jīng)被測物表面再返回儀器所經(jīng)過的
時(shí)間或相位差，計(jì)算出激光掃描儀到物體掃描點(diǎn)之間的距離值S和反射強(qiáng)度I，α、θ和S被用來計(jì)算激光打在被測物體上的掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)（見公式1），掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度I則用來給反射點(diǎn)匹配顏色。這樣就能夠獲取被測對象表面每個(gè)采樣點(diǎn)的空間立體坐標(biāo)，從而得到被測對象的離散采樣點(diǎn)集合，即激光點(diǎn)云。α、θ的大小由掃描控制模塊控制，反映的是分辨率。因此，掃描儀根據(jù)應(yīng)用目的不同，選擇距離S和角分辨率，角值越小，點(diǎn)云越多，模型更精細(xì)，紋理更清晰。
2.2地面三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)：
（1）測量速度快、效率高，最高達(dá)5000點(diǎn)/秒；
（2）信息量豐富，以大量的點(diǎn)云坐標(biāo)代表監(jiān)測體，且?guī)в薪ㄖw表的紋理信息；
（3）測量的準(zhǔn)確性高，精度根據(jù)儀器型號、距離遠(yuǎn)近、反射面的反射程度不同而有差異，能滿足10mm-0.003mm的精度；
（4）非接觸測量，有利于保護(hù)被測物體，無需埋點(diǎn)，節(jié)省資金和時(shí)間，減少了安置反射標(biāo)志帶來的安全隱患；
采用地面三維激光掃描技術(shù)能夠快速、連續(xù)、自動(dòng)地獲取高精度、高密度的三維數(shù)據(jù)，獲得的三維點(diǎn)云具有廣泛的應(yīng)用性。
3、地面三維激光掃描測量
3.1儀器選擇及可行性分析
大橋主橋塔柱距江岸橋臺遠(yuǎn)近不一，根據(jù)重慶長江李家沱塔柱頂距橋面有117米，2塔柱距按岸邊距離224米，選擇了天寶公司的TrimbleFX3D掃描儀，該儀器最大測程為350m，在100m內(nèi)其點(diǎn)間距為2.5mm，200米內(nèi)單點(diǎn)精度6.5mm，模型化后一般能夠達(dá)到2mm的點(diǎn)位精度。在進(jìn)行掃描測量前對TrimbleFX3D掃描儀的測距精度進(jìn)行了測試。
由表1可知，在50米內(nèi)，掃描精度能滿足一級變形精度要求，在150米內(nèi)能滿足二級變形精度要求，220米內(nèi)能滿足三級變形精度要求，300米附近只能用于變形量較大的監(jiān)測對象，能反映出監(jiān)測體的變化趨勢。
3.2站點(diǎn)的選擇與外業(yè)掃描
科學(xué)合理地架設(shè)掃描儀機(jī)位，對采集高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)、提高測量精度、全面反映場景細(xì)節(jié)有著十分重要的意義。對于斜拉橋來說，最大的變化在橋的縱向上，因此，本次試驗(yàn)選擇在李家沱大橋北橋臺上設(shè)站，對重慶李家沱大橋進(jìn)行四個(gè)不同時(shí)期的數(shù)據(jù)采集。為保持地面三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)云與常規(guī)儀器測量記過保持在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中，不再進(jìn)行坐標(biāo)套合，獲取點(diǎn)云的工藝流程與傳統(tǒng)測量方法相似。先架設(shè)儀器，輸入站點(diǎn)坐標(biāo)，后視定向，設(shè)置掃描參數(shù)，通過彩色攝像機(jī)實(shí)時(shí)選擇測量區(qū)域，開始自動(dòng)掃描作業(yè)、記錄、保存。能在幾分鐘內(nèi)得到感興趣的區(qū)域詳盡準(zhǔn)確的三維立體模型。還可以通過設(shè)置分辨率來調(diào)節(jié)掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以控制掃描的時(shí)間效率。需要時(shí)可進(jìn)一步添加掃描對象或以更高分辨率疊加掃描細(xì)部區(qū)域。
3.3數(shù)據(jù)處理的理論與方法
三維激光掃描的成果數(shù)據(jù)應(yīng)用均基于大量點(diǎn)云的后處理。對獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以進(jìn)行長、寬、高、面積、體積等幾何數(shù)據(jù)的量測；也可以進(jìn)行斷面圖、投影圖、等高線（等值線）圖的生成。此外，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以重構(gòu)目標(biāo)的實(shí)體模型，生成二維或三維視圖，也可進(jìn)行任意截面切取分析。
原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差、錯(cuò)誤和無關(guān)信息。這些粗差、錯(cuò)誤或無關(guān)信息的修正和處理工作，目前主要采用的是利用儀器供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)處理軟件，人工交互剔除。剔除噪聲點(diǎn)是非接觸掃描數(shù)據(jù)處理的一個(gè)關(guān)鍵，但在操作時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎從事，以免丟失有用的重要數(shù)據(jù)信息。
3.4誤差的成因及影響
影響地面三維激光雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)精度的因素較多，主要包括：步進(jìn)器的測角精度、儀器的測時(shí)精度、激光信號的信噪比、激光信號的反射率、回波信號的強(qiáng)度、背景輻射噪聲的強(qiáng)度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測點(diǎn)間的距離、儀器與被測目標(biāo)面所形成的角度等。
這些影響因素直接導(dǎo)致了相應(yīng)誤差的產(chǎn)生。在不考慮信號測量誤差的影響下，地面激光雷達(dá)的采樣數(shù)據(jù)的精度主要取決于激光光斑的尺寸和光斑的點(diǎn)間距，這是影響其分辨率的主要因素。通常情況下，激光掃描數(shù)據(jù)的模型精度要顯著高于單點(diǎn)的精度，可以考慮通過設(shè)立標(biāo)靶、球形目標(biāo)的坐標(biāo)來改正點(diǎn)云的坐標(biāo)，提高掃描模型的精度。
原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差、錯(cuò)誤和無關(guān)信息。這些粗差的剔除是掃描數(shù)據(jù)處理的一個(gè)關(guān)鍵，目前主要采用的是人工交互操作來實(shí)現(xiàn)。
4、李家沱大橋2號塔柱變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析
4.1數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)
將掃描觀測獲取的李家沱大橋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入rimbleRealWorksSurvey軟件進(jìn)行人工編輯，并截取大橋塔柱頂端中間部分的數(shù)據(jù)作為研究對象，剔除粗差。
4.2數(shù)據(jù)分析
將掃描得到的前后兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。用一組等間距的橫向或縱向的截面截取兩個(gè)掃描面，得到相同位置處兩個(gè)掃描面之間點(diǎn)云的位移，即可將其視為兩個(gè)時(shí)期的變形量。根據(jù)需求控制截面的間距，可得到密度不同的結(jié)果。
將李家沱大橋編輯后的相鄰兩期離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在一起，用上述方法進(jìn)行比對后，得到變形量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖1所示。變形量按照其大小用不同的顏色來表示，由此可以直觀的看出變形的分布情況。由變形量的變化范圍可知，編輯后的點(diǎn)云仍含有一定的粗差點(diǎn)。將后面三期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別與第一期數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得到累計(jì)變形量。將變形量的可視化結(jié)果局部放大，如圖2所示。圖中的若干短線即為該位置處兩個(gè)掃描面間的距離，短線的長度值即為兩期觀測值間的變形量。
圖1李家沱大橋兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變形量分析圖 圖2變形量可視化結(jié)果局部放大圖
5、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
李家沱大橋各期掃描離散點(diǎn)之間變形量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表2所示，它是基于離散點(diǎn)云的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，單位為毫米。其中，平均變形量為編輯后兩期數(shù)據(jù)之間所有變形量的平均值。最大變形量為變形量的最大值。此外，變形量小于10mm，10-20mm之間，以及大于20mm的點(diǎn)的個(gè)數(shù)分別被統(tǒng)計(jì)出來。其中包括相鄰兩期數(shù)據(jù)的變形量以及每期數(shù)據(jù)與第1期數(shù)據(jù)比較得到的累計(jì)變形量。
表2李家沱大橋各期激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)20mm內(nèi)平均變形量統(tǒng)計(jì)表
上表表明塔頂隨溫度不同，變化量差異較大，最大變化值達(dá)到48.3mm。1期和2期溫度相差不大，變化量較小，2期和4期均為8月份觀測，變化量最小，表明大橋處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。
表3李家沱大橋2號塔塔頂變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（模型）
在用地面三維激光掃描系統(tǒng)對李家沱大橋進(jìn)行掃描的同時(shí)，也使用常規(guī)測量方法對其進(jìn)行變形觀測，得到各期同一時(shí)刻對應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)。將兩種方法得到的變形量進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示，單位為毫米。并將激光掃描測量與傳統(tǒng)觀測方法得到的變形量進(jìn)行偏差統(tǒng)計(jì)。
表3激光掃描與傳統(tǒng)觀測變形量比較表
用三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)觀測方法分別對李家沱大橋進(jìn)行測量，得到相鄰兩期及各期累計(jì)的變形量變化趨勢，如圖3所示。
圖3李家沱大橋激光掃描與傳統(tǒng)觀測變形量變化趨勢圖
由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：常規(guī)觀測方法是基于點(diǎn)的測量，得到的變形點(diǎn)的變形量起伏較大；而三維激光掃描方法是基于面的測量，測量出的平均變形量起伏較為平緩，更能反應(yīng)出目標(biāo)建筑整體的變形情況。兩種方法因變形量表示方式的差異，而有少量的偏差，但結(jié)果基本一致，均反映李家沱大橋因受風(fēng)力和日照等因素的影響處于動(dòng)載中的情況。
6、結(jié)語
地面三維激光掃描技術(shù)正被越來越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，本文通過重慶市李家沱大橋的變形監(jiān)測，對三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用大橋變形監(jiān)測領(lǐng)域提出了合理的實(shí)施方案，并通過對觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以及與傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法的比較得到定量的分析結(jié)果。地面三維激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)全新的測量技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景和可行性，是目前的發(fā)展趨勢。
