三维激光扫描技术在桥梁变形检测中的应用分析

丛林

摘 要：近年来，随着三维激光扫描技术的发展，该技术被广泛地应用于工程建设中。与传统变形监测技术相比较，该技术具有精度高、实时性好、智能化和自动化程度高的特点，从而使监测工作更加全面、有效。本文就三维激光扫描技术在桥梁变形检测中的应用进行简要分析，仅供学习和参考。

关键词：三维激光扫描技术；桥梁变形检测；应用分析

一、概述

三维激光扫描技术选用的是非接触式高速激光测量的方法，对相关物体几何数据及影音资料进行获取，最后利用后处理软件对数据进行处理和分析，转换成具有坐标系的三维空间坐标及模型，并能够用多种数据格式输出，满足空间数据库的数据源，以及三维激光扫描技术的不同应用需求。

1.系统组成 （1）三维激光扫描仪；（2）数码相机；（3）后处理软件；（4）电源以及附属设备。

2.工作原理

三维激光扫描技术利用设备内部的激光脉冲发射器，向相关目标物體发射一束激光脉冲，通过反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫描目标，信号接收器接收反射回来的激光脉冲，对相关数据进行记录，包括每个激光脉冲从发射到被测物表面，然后返回设备所经过的时间，以此获取目标到扫描中心的距离，除此之外扫描控制模块对每一个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β进行控制，最后经过后处理软件自动解算，得出目标的相对三维坐标，也就是云点，经过转换后，在绝对坐标系中表现为三维空间位置坐标或者模型。

3.特点

（1）非接触式

三维激光扫描技术是一种非接触式的高速激光测量手段，无需布置反射棱镜，直接扫描目标体即可，通过对目标体表面云点的三维坐标数据进行采集。

（2）数字化程度较高、可扩展性

三维激光扫描技术所获取的数据均为数字信号数据，具有较高的数字程度，处理起来较为简便，可以便利的用于数据的分析、输出以及显示，后处理软件人机友好的用户界面，可以和其它软件及时进行数据共享，能够和外接数码相机、GPS等设备相互配合使用，从而拓宽了各自的应用范围。

（3）高分辨率

三维激光扫描技术的分辨率较高，能够方便快捷的采集高质量、高密度的数据，这是高分辨率数据的基础。

（4）广泛的应用 三维激光扫描技术的技术优势，使得其在工程建设等领域具有广泛的应用，还具有较强的环境适应性。

4.扫描流程

可行性分析桥梁变形检测技术的发展，大致可以概括为由起初的全站仪+水准仪的组合，到后来近景摄影测量GPS和测量机器人等手段的加入。虽然数据采集方式变得多样化、数据结果数字化、分析处理软件化，但变形检测的思路依然停留在“以点代面”这一分析方法上。该方法的弊端显而易见，无法有效避免变形检测点数据的应力应变分析结果代替整个结构变形所带来的局部性和片面性。变形检测的特点是精度要求高，所以一项新技术能否用于桥梁变形检测最基本的条件是该技术的测量精度能否满足桥梁变形检测的要求。目前，关于三维激光扫描技术的测量，业界普遍认为单点测量精度完全可以达到亚厘米级，模型精度还远高于此。与目前常用的桥梁变形检测方法相比，虽然三维激光扫描技术具有传统方法所不具有的技术优势，但其实际应用还未普及，特别是在目前仪器设备昂贵、数据处理专业人员缺少、数据处理理论欠缺、国家相应标准没有出台的现实情况下。三维激光扫描技术结合了摄影测量和全站仪测量的优点。在扫描视场、有效扫描范围内、基于一定点云密度获取扫描对象外观的点云数据，与近景摄影测量相比，具有更高的数据精度、更高的工作效率，同时数据后处理过程简单，并能快速准确地生成桥梁的模型。与全站仪测量相比，实现了自动连续测量，数据量呈几何级数增长，使高质量的桥梁建模成为可能。三维激光扫描仪的强项不在于单点测量的精度，而是可以连续高精度地对扫描对象进行一定密度的点云采样，通过点云数据生成扫描对象的模型。所以基于三维激光扫描技术的桥梁变形检测应用不能依靠传统的“以点代面”的分析方法，寻求一种适合三维激光扫描仪相适应的变形检测数据处理方法就显得十分必要。应用范围三维激光扫描技术在桥梁设计、施工、运营维护阶段均可应用。

三、应用分析

1.设计阶段

我国桥梁设计程序，一般分为前期工作及设计阶段。前期工作包括编制预可行研究报告和可行性研究报告。设计阶段按“三阶段设计”，即初步设计、技术设计与施工设计。在工程可行性论证阶段，首先是选择好桥位，其次是确定桥梁的建设规模，同时还要解决好桥梁与河道、航运、城市规划以及已有设施的关系。采用三维激光扫描技术建立桥位及周边区域的三维数字模型，设计人员在三维数字模型上反复尝试各种桥梁设计方案，有利于设计人员宏观把控桥梁与周围环境、河道城市规划、已有建筑物设施之间的协调性和美感。目前，在桥梁设计当中，出现越来越多的桥梁遗址保护设计、旧桥加固设计。这类桥梁设计工作必须建立在对旧桥有详细勘察和测量的基础上，同时，设计方案对桥梁的样式、外观尽量不要做改变，特别是具有历史价值的桥梁。运用三维激光扫描技术，可以在设计阶段就清楚施工后的外观变化情况，这无疑有助于设计人员与文物保护单位、业主之间的沟通交流。

2.施工阶段

在桥梁施工阶段使用三维激光扫描技术就不得不提到BIM模型。BIM是BuildingInformationModeling的缩写，即建筑信息模型。建筑信息模型（BIM）以三维数字技术为基础建立起来的一个集成了工程建设项目中各个环节、各种相关信息的数据模型。BIM具有的三维可视化特点离不开三维数字建模的支撑，而具有快速、高精度获取外观结构点云数据的三维激光扫描技术，无疑是建筑信息模型最好的选择。三维激光扫描技术另一大特点是无协同作业，不需要对扫描目标做任何准备工作，通过海量的点云数据模拟目标表面的信息。三维激光扫描获得的海量点云数据，可以通过专业的点云数据处理软件，转换成BIM支持的模型数据，进而可以与桥梁的设计模型、BIM模型进行对比分析，发现施工现场与设计模型的不同点，实现现场施工质量的把控。无疑，三维激光扫描技术是BIM模型和施工现场连接的“桥梁”，运用三维激光扫描技术和BIM模型可以很好的弥补在桥梁施工前和施工中的质量管理短板。在桥梁施工后期使用三维激光扫描技术逐步获取全桥的点云数据，建立与CAD设计模型对比分析的全桥实际三维数字模型，为质量监控和验收工作提供良好的数据。

3.运营维护阶段

三维激光扫描技术在桥梁运营维护阶段，主要用于桥梁变形健康检测，相对于传统的桥梁变形检测手段而言，具有不需要事前埋设监测设备，不需要接触测量物体，通过海量点云数据实现高精度模型建立，通过对比分析，能快速精确地反映出桥梁总体的变形趋势和局部的变形量。如本文所述，结合专门的点云数据处理软件，可以实现变形分析结果的直观表达。在市政桥梁里面大部分属于中小型桥梁，且箱型梁桥居多。中小型市政桥梁桥底一般情况下人员可以到达，为扫描仪的架设提供了可能性，箱型梁梁底为平面，使点云数据采集和内业数据处理更加方便，可尝试将三维激光扫描技术用于中小型桥梁荷载试验中。

参考文献：

[1]刘志伟.三维激光扫描技术在桥梁变形检测中的应用[J].交通世界，2016（02）.

[2]王勋，冯晓.三维激光扫描技术在桥梁变形检测中的应用探讨[J].有色金属文摘，2015（01）.