地面三维激光技术在大桥监测中的应用
1、引言
重庆是山地城市，沟谷、河流纵横，被誉为桥梁之都，它们的安全运营、使用直接关系到人民的安全及出行。为提高变形监测效率，降低安全隐患，避免监测目标的损伤，获取更多的大桥体的变化信息，将地面三维激光扫描技术引入到桥梁变形监测领域，具有极大的现实意义。我院一直对长江和嘉陵江上的十多座桥梁进行安全监测测，每次监测投入的人力较多，时间长，安全隐患大。本文以李家沱大桥2号塔柱的变形监测为例，从激光扫描测量仪器设备的精度测试、数据后处理的理论与方法、误差的成因及影响，讨论了三维激光扫描技术应用在变形监测领域内的可行性、技术优势和存在的问题，从而进一步推动三维激光扫描技术在测绘领域的应用。
2、地面三维激光扫描测量工作原理与特点
2.1工作原理
激光扫描仪的测距方法是根据光学三角测量的原理，以激光作为光源，通过扫描仪内的发射装置，将激光束投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，通过测量每个激光脉冲，从发出经被测物表面再返回仪器所经过的
时间或相位差，计算出激光扫描仪到物体扫描点之间的距离值S和反射强度I，α、θ和S被用来计算激光打在被测物体上的扫描点的三维坐标（见公式1），扫描点的反射强度I则用来给反射点匹配颜色。这样就能够获取被测对象表面每个采样点的空间立体坐标，从而得到被测对象的离散采样点集合，即激光点云。α、θ的大小由扫描控制模块控制，反映的是分辨率。因此，扫描仪根据应用目的不同，选择距离S和角分辨率，角值越小，点云越多，模型更精细，纹理更清晰。
2.2地面三维激光扫描技术的特点：
（1）测量速度快、效率高，最高达5000点/秒；
（2）信息量丰富，以大量的点云坐标代表监测体，且带有建筑体表的纹理信息；
（3）测量的准确性高，精度根据仪器型号、距离远近、反射面的反射程度不同而有差异，能满足10mm-0.003mm的精度；
（4）非接触测量，有利于保护被测物体，无需埋点，节省资金和时间，减少了安置反射标志带来的安全隐患；
采用地面三维激光扫描技术能够快速、连续、自动地获取高精度、高密度的三维数据，获得的三维点云具有广泛的应用性。
3、地面三维激光扫描测量
3.1仪器选择及可行性分析
大桥主桥塔柱距江岸桥台远近不一，根据重庆长江李家沱塔柱顶距桥面有117米，2塔柱距按岸边距离224米，选择了天宝公司的TrimbleFX3D扫描仪，该仪器最大测程为350m，在100m内其点间距为2.5mm，200米内单点精度6.5mm，模型化后一般能够达到2mm的点位精度。在进行扫描测量前对TrimbleFX3D扫描仪的测距精度进行了测试。
由表1可知，在50米内，扫描精度能满足一级变形精度要求，在150米内能满足二级变形精度要求，220米内能满足三级变形精度要求，300米附近只能用于变形量较大的监测对象，能反映出监测体的变化趋势。
3.2站点的选择与外业扫描
科学合理地架设扫描仪机位，对采集高质量的三维数据、提高测量精度、全面反映场景细节有着十分重要的意义。对于斜拉桥来说，最大的变化在桥的纵向上，因此，本次试验选择在李家沱大桥北桥台上设站，对重庆李家沱大桥进行四个不同时期的数据采集。为保持地面三维激光扫描技术数据点云与常规仪器测量记过保持在同一坐标系统中，不再进行坐标套合，获取点云的工艺流程与传统测量方法相似。先架设仪器，输入站点坐标，后视定向，设置扫描参数，通过彩色摄像机实时选择测量区域，开始自动扫描作业、记录、保存。能在几分钟内得到感兴趣的区域详尽准确的三维立体模型。还可以通过设置分辨率来调节扫描点的个数，以控制扫描的时间效率。需要时可进一步添加扫描对象或以更高分辨率叠加扫描细部区域。
3.3数据处理的理论与方法
三维激光扫描的成果数据应用均基于大量点云的后处理。对获得的点云数据，根据需要可以进行长、宽、高、面积、体积等几何数据的量测；也可以进行断面图、投影图、等高线（等值线）图的生成。此外，点云数据可以重构目标的实体模型，生成二维或三维视图，也可进行任意截面切取分析。
原始点云数据包含了大量的粗差、错误和无关信息。这些粗差、错误或无关信息的修正和处理工作，目前主要采用的是利用仪器供应商提供的数据处理软件，人工交互剔除。剔除噪声点是非接触扫描数据处理的一个关键，但在操作时应谨慎从事，以免丢失有用的重要数据信息。
3.4误差的成因及影响
影响地面三维激光雷达采样数据精度的因素较多，主要包括：步进器的测角精度、仪器的测时精度、激光信号的信噪比、激光信号的反射率、回波信号的强度、背景辐射噪声的强度、激光脉冲接受器的灵敏度、仪器与被测点间的距离、仪器与被测目标面所形成的角度等。
这些影响因素直接导致了相应误差的产生。在不考虑信号测量误差的影响下，地面激光雷达的采样数据的精度主要取决于激光光斑的尺寸和光斑的点间距，这是影响其分辨率的主要因素。通常情况下，激光扫描数据的模型精度要显著高于单点的精度，可以考虑通过设立标靶、球形目标的坐标来改正点云的坐标，提高扫描模型的精度。
原始点云数据包含了大量的粗差、错误和无关信息。这些粗差的剔除是扫描数据处理的一个关键，目前主要采用的是人工交互操作来实现。
4、李家沱大桥2号塔柱变形监测数据处理与分析
4.1数据处理转
将扫描观测获取的李家沱大桥的点云数据导入rimbleRealWorksSurvey软件进行人工编辑，并截取大桥塔柱顶端中间部分的数据作为研究对象，剔除粗差。
4.2数据分析
将扫描得到的前后两期点云数据进行对比分析。用一组等间距的横向或纵向的截面截取两个扫描面，得到相同位置处两个扫描面之间点云的位移，即可将其视为两个时期的变形量。根据需求控制截面的间距，可得到密度不同的结果。
将李家沱大桥编辑后的相邻两期离散点云数据叠加在一起，用上述方法进行比对后，得到变形量的统计结果，如图1所示。变形量按照其大小用不同的颜色来表示，由此可以直观的看出变形的分布情况。由变形量的变化范围可知，编辑后的点云仍含有一定的粗差点。将后面三期的点云数据，分别与第一期数据进行比对，得到累计变形量。将变形量的可视化结果局部放大，如图2所示。图中的若干短线即为该位置处两个扫描面间的距离，短线的长度值即为两期观测值间的变形量。
图1李家沱大桥两期点云数据的变形量分析图 图2变形量可视化结果局部放大图
5、数据统计与分析
李家沱大桥各期扫描离散点之间变形量的统计数据，如表2所示，它是基于离散点云的统计结果，单位为毫米。其中，平均变形量为编辑后两期数据之间所有变形量的平均值。最大变形量为变形量的最大值。此外，变形量小于10mm，10-20mm之间，以及大于20mm的点的个数分别被统计出来。其中包括相邻两期数据的变形量以及每期数据与第1期数据比较得到的累计变形量。
表2李家沱大桥各期激光点云数据20mm内平均变形量统计表
上表表明塔顶随温度不同，变化量差异较大，最大变化值达到48.3mm。1期和2期温度相差不大，变化量较小，2期和4期均为8月份观测，变化量最小，表明大桥处于相对稳定状态。
表3李家沱大桥2号塔塔顶变形数据统计（模型）
在用地面三维激光扫描系统对李家沱大桥进行扫描的同时，也使用常规测量方法对其进行变形观测，得到各期同一时刻对应的观测数据。将两种方法得到的变形量进行比较，结果如表3所示，单位为毫米。并将激光扫描测量与传统观测方法得到的变形量进行偏差统计。
表3激光扫描与传统观测变形量比较表
用三维激光扫描技术与常规观测方法分别对李家沱大桥进行测量，得到相邻两期及各期累计的变形量变化趋势，如图3所示。
图3李家沱大桥激光扫描与传统观测变形量变化趋势图
由统计结果可以看出：常规观测方法是基于点的测量，得到的变形点的变形量起伏较大；而三维激光扫描方法是基于面的测量，测量出的平均变形量起伏较为平缓，更能反应出目标建筑整体的变形情况。两种方法因变形量表示方式的差异，而有少量的偏差，但结果基本一致，均反映李家沱大桥因受风力和日照等因素的影响处于动载中的情况。
6、结语
地面三维激光扫描技术正被越来越多地应用于各个领域，本文通过重庆市李家沱大桥的变形监测，对三维激光扫描技术应用大桥变形监测领域提出了合理的实施方案，并通过对观测数据的统计分析，以及与传统变形监测方法的比较得到定量的分析结果。地面三维激光扫描技术作为一项全新的测量技术，具有良好的应用前景和可行性，是目前的发展趋势。
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