摘要：三维激光扫描技术是一种新兴的技术，它有其独特的优势，因此，文章结合工程实例，对三维激光扫描技术在桥梁检测变形中的应用进行了详细的阐述与研究。
关键词：桥梁变形检测；三维激光扫描；测量
1分析可行性
桥梁变形检测技术发展，大概可以概括是从起初全站仪+水准仪的组合，变成后来近景摄影的测量、GPS以及测量机器人等及方式的加入。虽然数据采集的方式变得多样化、数据结果数字化、分析处理变得软件化，但变形检测思路仍然停留在“以点代面”这一方法上面。此方法弊端非常明显，不会有效避免变形检测点数据的应力及应变分析，结果却取代了整个结构的变形所带来的局部性以及片面性。变形检测特点对于精度要求比较高，因此，一项新技术能不是用在桥梁变形检测中，最基本条件便是该技术测量的精度是不是能满足桥梁对于变形检测的要求。目前，对三维激光扫描技术进行测量，业界大都认为单点的测量精度完全能够达到亚厘米级，模型精度还会远高于此。与目前常用桥梁变形检测方法进行对比，虽然三维激光扫描技术有着传统方式所不具有的优势，但实际应用还并没有普及，尤其是在目前仪器设备昂贵、数据处理专业人员比较少、数据处理理论欠缺、国家相应标准还未出台的现实情况下。三维激光扫描技术结合摄影测量与全站仪测量优点。在进行扫描视场、有效扫描范围内、基于一定点云密度获取扫描对象外观点的云数据，与近景摄影测量进行比较，有着更高的数据精度以及工作效率，同时，数据处理过程比较简单，并能准确生成桥梁模型。与全站仪进行测量比较，可以实现自动连续测量，数据量呈现几何级数增长，使高质量桥梁建模成为了可能。三维激光扫描仪优点不在单点的测量精度，而是可以连续高精度地对扫描对象进行密度点云采样，并通过点云数据生成扫描对象的模型。所以说，基于三维激光扫描技术桥梁变形检测的应用，不能仅依靠传统“以点代面”的方法，寻求一种适合三维激光扫描仪适应的变形检测数据处理方法就显得非常重要了。
2应用范围
2.1设计阶段
我国桥梁设计，一般分成前期工作以及设计工作。前期的工作包括编制预可行的研究报告及可行性研究报告。设计阶段按“三阶段设计”，即初步、技术以及施工设计。在可行性论证阶段，首先要确定桥位，其次确定桥梁建设规模，同时还要解决桥梁与河道、城市规划及已有设施之间的关系。并采取三维激光扫描技术建立桥位及周边区域三维数字模型，设计人员在三维数字模型上反复对各种桥梁设计方案进行尝试，有利于设计人员宏观把控桥梁与周围的环境、河道城市规划、已有建筑物设施间协调与美感。目前，在桥梁设计中，出现越来越多桥梁遗址设计、旧桥加固设计。这类桥梁设计建立在对旧桥有详细勘察及测量基础上，同时，设计方案对桥梁样式、外观尽量不做改变，尤其是具有历史价值桥梁。运用三维激光扫描技术，能在设计阶段就清楚施工后外观变化情况，这有利于对设计人员与文物保护单位、业主间的沟通交流。
2.2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。上海中心大厦将三维激光扫描技术协同BIM用于大厦建设质量管理，很好地完成了施工重点部位的质量管理工作。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
2.3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。
3工程实例
结合三维激光扫描仪在生产应用中的实际情况，比如桥梁扫描、隧道扫描小角度扫描现象是难以避免的。一般情况下，在桥梁端头附近，离桥水平距离又合适的架设仪器的地方，在遇到这种情况时，一般选择将仪器架设在桥梁端头，容易导致小角度扫描情况的产生。以某次桥面变形测量扫描数据为例，使用仪器为徕卡NovaMS50全站扫描仪，扫描仪距离桥面垂直高度1.8m，并架设于桥端，点云密度设置为40m处点云间隔2cm。从左到右，距离扫描仪越远，点云越稀疏，即分辨率越低，且呈带状分布。三维扫描仪角度增量步长和激光在物体表面光斑大小决定了点云密度。较小的角度增量步长和较小的激光光斑可以获得较高的点云密度，扫描距离增加，会导致点云密度降低。在小角度扫描情况下距离对相邻点的影响。通过对点云数据进行距离测量，发现在距离扫描仪40m左右区域，两条点云带之间的距离大致处于0.4～0.45m之间，这一结果与理论计算相符。当扫描距离为20m时，点云带间隔已超过10cm，随着距离的增加，点云带间隔变化越来越迅速；当扫描距离为60m时，点云带间距已超过1m。扫描仪在工作时，先固定水平角度，然后仪器镜头部分开始数值方向旋转扫描，完成一个水平角度后进入下一个水平角度，仪器镜头又重复之前的动作。所以水平角变化在小角度扫描时对点云密度的影响较小。同时，扫描距离的增加，激光光斑的尺寸也随着变大，导致点云呈带状，且扫描距离越远，点云带中点云越发散，点云带越宽。点云密度主要与两个因素有关：扫描仪角度增量步长和激光在物体表面的尺寸。较小的扫描仪角度增量步长和较小的激光光斑尺寸可以获得较高的点云密度，增加扫描距离则会降低点云密度。过高的点云密度对物体表面信息的提高并无明显效果，只会增加数据获取时间和内业处理负担。合适的点云密度应根据工程需要和被扫描物体的细节特征尺寸而定。对于小角度扫描，可以通过减少每站扫描距离增加扫描站数结合控制网的形式进行扫描作业，避免一站扫描下距离远处点云密度太小，近距离处点云密度又太大；也可对不同距离设置不同扫描分辨率，一次架站，完成多次扫描作业。
4结语
通过以上归纳不难看出，三维激光扫描技术用于桥梁变形检测具有很强的工程适用性。研究三维激光扫描技术用于桥梁变形检测，为桥梁变形检测提供了一种新的方法和思路，具有重要的理论及现实意义。
参考文献：
[1]张豪，姚明博.基于三维激光扫描航道桥梁的健康监测[J].中国水运，2012，12（7）：196-197.
[2]黄承亮.基于激光扫描技术的桥梁变形监测方法[J].重庆勘测，2013（4）：20-24.
论文作者:李祥楠
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/20
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