摘要：桥墩垂直度是影响桥梁安全的一个重要部分。现有全站仪测量垂直度的方法不能准确测量桥墩的整体垂直度、尤其对高桥墩的大仰角测量的精度达不到技术标准。提出将地面三维激光扫描仪应用在圆柱形桥墩垂直度测量中，利用分层切片拟合桥墩中心线的方法，计算桥墩垂直度。本文详细介绍了外业点云数据采集的方法及要求；对切片分割的间隔、厚度、拟合方法进行了详细说明；推导了桥墩中心线拟合、桥墩垂直度计算的公式；采用的分层切片拟合法较整体拟合方法建模精度高，更能准确测量桥墩垂直度；同时该方法对不同形状的桥墩同样适用。实验结果表明，这种方法与全站仪测得的垂直度相比在误差范围以内，该方法在桥墩垂直度测量中具有一定的可行性。
关键词：地面三维激光扫描仪；全站仪；分层切片；桥墩中心线拟合；桥墩垂直度
Investigation on Verticality measurement of the bridge pier base on Terrestrial Laser Scanners
JIN Baoping
Shanghai Institute of Geological Survey，Shanghai 200072，China
Abstract：The verticality of the bridge pier is an important part of the safety of the bridge.The tradition method with total station can’t reflect overall verticality of piers.And it is difficult to measure high pier.The terrestrial laser scanning is used to obtain the verticality of the bridge pier.The point cloud is sectioned to fit the centerline of pier.And then it calculates the verticality of pier based on the centerline of pier.The verticality is compared with the verticality which is measured by total station，and the difference is within the error range.The experiment result shows that the application of terrestrial laser scanning in verticality measurement of bridge pier has good application prospect and feasibility.
Key words：terrestrial laser scanning，total station，point cloud slice，line fitting，verticality
1 桥墩垂直度测量现状分析
近年来，我国建设了大量的高架桥梁道路。高架桥梁桥墩作为高架桥梁受力体系的重要组成部分，对于高架的安全运营起着非常重要的作用。由于其自身结构特点，其侧向变形更应受到重点关注。通过对高架桥梁桥墩进行垂直度测量工作，有助于管理部门及时了解桥墩的变形特征，对有关部门及时做出准确实用的安全防护措施和提出有效的日常维护保养方法，具有非常重要的现实意义。为了保持高架使用的长期性和连续性，以及其结构和行车安全，需要对高架道路的桥梁桥墩进行垂直度测量工作。
目前，桥梁桥墩的垂直度测量主要采用全站仪测量的方法，采用全站仪测量主要存在以下问题：①无法测量桥墩整体垂直度。利用全站仪测量垂直度，多数为在桥墩顶部和底部各埋设一个监测点进行测量桥墩垂直度，这种测量的方法不能准确的测量桥墩垂直度；②高桥墩、大仰角垂直度测量较困难。现有桥梁桥墩较高，由于全站仪测量大仰角时较困难，导致无法在桥墩周围测量桥墩上部监测点；③作业效率低，作业环境危险。利用全站仪测量需要在不同方向布设监测点，需要对不同方向进行测量，测量时需要多人配合，作业效率较低；且测量过程中容易出现被遮挡、监测点破坏等无法测量的情况。
地面三维激光扫描技术作为近年来发展起来并正在逐步走向成熟的一项新技术，广泛应用于测绘行业。三维激光扫描技术可以在较短的时间内获得目标对象表面高精度、高密度的点云数据；地面三维激光扫描仪采用主动发射激光，作业时间不受限制，可以在晚间进行，提高作业效率；同时能够测量大仰角，可以满足高桥墩、高层建筑、大型烟囱等较高目标物的测量。
目前，将地面三维激光扫描技术应用于桥墩垂直度测量中的研究较少；欧斌[1]等分别选取桥墩上部、中部和下部的点云数据，进行整体拟合，计算桥墩垂直度，这种方法得到的拟合模型与原始点云数据偏差较大，建模精度相对较低，不能满足较高桥墩和不规则桥墩的垂直度计算。因此研究更加合理、高效、通用的桥墩垂直度测量方法及其重要。
2 三维激光扫描测量桥墩垂直度
本文选取上海市共和新路立交的5个圆柱形桥墩作为研究对象。桥墩高度在10m左右。采用徕卡P20地面三维激光扫描仪进行数据采集，通过内业计算获取桥梁桥墩垂直度。为验证地面三维激光扫描仪测量桥墩垂直度的准确性，本文同时利用全站仪测量了桥墩的垂直度。
2.1 圆形桥墩点云数据获取
本实验采用的仪器为徕卡P20地面三维激光扫描仪。该仪器扫描范围为360°×270°，点位精度为3mm@50m。
外业数据采集过程如下：①首先将地面三维激光扫描仪架设整平。测站尽量架设在能够测量完整桥墩的地方；人流量相对较少的地方，以减少人员遮挡误差；同时尽量架设在能够测量多个桥墩的地方，减少作业时间，提高作业效率。；②选择已有项目或者新建项目文件夹。文件夹名称最好以项目名称首字母加日期建立，容易对项目进行查找和分类；③选定水平及竖直方向扫描范围。扫描范围不易过大或过小，过大会增加扫描时间，过小则无法获取桥墩完整数据，扫描范围比桥墩略大即可；④设置扫描点云质量。点云质量好坏会影响到点云数据的好坏，因此应设置较高的点云质量；但同时要考虑测量时间，设置扫描点云质量时单个桥墩扫描时间在10分钟以内为最佳。最后进行扫描并拍照。通过外业采集得到了5个桥墩的点云数据；分别对每个桥墩进行数据处理，计算桥墩的垂直度。
2.2 点云数据去噪处理
地面三维激光扫描仪可以采集到非常密集的点云，但并不是所有的点都对建模有用，由于受到目标表面特性、地面三维激光扫描仪的标称精度、测量人员的野外经验和野外环境等诸多因素的影响，使得点云数据不可避免地存在噪声误差，这势必给后续的数据处理带来误差[2]，因此在数据采集完成之后，需要对点云数据进行预处理，为后续的数据应用做准备。由于扫描时扫描范围会比桥墩大、人员或车辆经过，需要对非桥墩的点云进行裁剪；并对桥墩的点云数据进行去噪处理，剔除测量粗差，对点云数据进行优化，得到桥墩点云数据如图1所示。
图1 桥墩点云数据
Fig.1 bridge pier’s point cloud
2.3 切片法拟合桥墩中心
由于桥墩在10m以上高度，如果对桥墩进行整体拟合，得到的拟合模型与原始点云数据偏差较大，建模精度相对较低。本文采用分层切片拟合[3][4][5][6][7]，得到每个切片的中心坐标，然后拟合桥墩中心线，计算桥墩垂直度。
利用RealWorks软件进行数据处理。RealWorks Survey软件具有三大功能模块：Registration模块、OfficeSurvey模块和Modeling模块。首先利用OfficeSurvey模块中的平面切割功能，从桥墩底部向上按1m间隔、切片厚度5cm进行分层处理，每个桥墩各10个切片左右；然后利用Modeling模块对每个切片进行圆柱体模型建模；最后根据每个切片模型，可以得到切片中心坐标。图2、图3为切片点云和拟合后的形状。
图2 切片点云数据
Fig.2 point cloud slice
图3 切片拟合模型
Fig.3 fitting model
2.4桥墩垂直度计算
首先对拟合得到的切片中心坐标，利用最小二乘方法拟合桥墩中心直线，通过桥墩中心线计算得到桥墩中心的垂直度。通过计算，得到5个桥墩的垂直度见表1。同时全站仪测得的垂直度见表1。
桥墩中心直线拟合过程如下：
设桥墩中心直线的方程为：
（1）
式（1）中
表示切片中心坐标，
表示桥墩中心直线的参数。
直线的方程可以化简成：
（2）
写成矩阵形式如下：
（3）
当有n个点时，第i个点的方程为：
（4）
并联n个方程为：
（5）
最小二乘拟合：
（6）化简成：
（7）
从而求得桥墩中心直线参数：
桥墩高度增加1m，桥墩中心在水平方向的偏差即为桥墩垂直度。由桥墩中心直线方程可得桥墩垂直度为：
桥墩垂直度=
表1 桥墩垂直度测量值
Tab.1 bridge pier’s verticality
由表1可以看出，本次利用地面三维激光扫描仪测得的桥墩垂直度与全站仪测的垂直度差值在0.15‰以内，与全站仪测量结果接近，满足桥墩垂直度检测要求。
3 结语
本文对地面三维激光扫描仪测得的桥墩点云数据，利用分层切片拟合桥墩中心线的方法，计算桥墩垂直度，与全站仪测得的垂直度相比在误差范围以内。同时本文采用的分层切片拟合中心线方法，不仅可以应用在标准圆柱型桥墩中，还可以在坍台型、长方体型等桥墩中。将地面三维激光扫描仪应用在桥墩垂直度测量中具有良好的应用前景和可行性。
参考文献：
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论文作者:金保平
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/26
标签：桥墩论文; 测量论文; 切片论文; 激光论文; 扫描仪论文; 数据论文; 地面论文; 《基层建设》2019年第16期论文;