基于surphaser三维激光扫描仪的道路桥梁变形测量方法研究
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关键词：三维激光,道路桥梁,变形测量方法研究
1.引言
桥梁变形可分为静态和动态两种。前者是指变形观测的结果只表示在某一期间内的变形值；后者指在外力影响下产生的变形，它是以外力为函数来表示的动态系统，观测结果表示桥梁在某个时刻的瞬时变形。
桥梁变形产生的原因很多，桥墩台地基的水文地质、工程地质、土壤的物理性质、水位变化、大气温度、地震等都会导致桥墩台不均匀沉陷，使桥跨结构倾斜；土基的塑性变形也会引起均匀沉陷；台风、车载以及超期服役、腐蚀、疲劳、车、船的冲击、碰撞和爆炸等许多不定时或不可确定的危害性事件也是其中原因。墩台与梁的结构、型式；作用在桥梁上部结构的恒载与作用墩台的恒载；活载的作用(如车辆通过时的震动、风力等)。勘测、设计的不合理；没有按照相关标准和规定规范施工；运营、管理工作的不恰当等也会使桥梁产生变形。
道路桥梁在施工过程和使用期间，由于上述各种原因的存在，桥梁肯定会出现变形，如果这种变形超过规定允许的限度，就会影响正常运营，严重时还会危及桥梁的安全寿命。因此，查明桥梁变形的原因并对其进行变形测量是十分必要的。
2.桥梁变形传统测量方法
垂直位移观测采用的是精密水准测量法和精密跨河水准测量法；在横向位移观测中，遇到直线桥梁则应按照基准线法观测(如测小角法和活砚牌法)，如果是曲线桥梁，就需要利用导线测量方法；纵向位移观测通常采用的是最精密的光电测距仪(如桥跨距较短)，用特制的钢线尺来测定两相邻桥墩之间的跨距变化；桥跨结构的恒载和活载挠度观测主要采用四等水准测量。
此方法灵活性高，适用于各种结构形式的桥梁和不同的外界条件以及精度要求；把观测组成了网状，便于进行测量结果的处理和精度评定；可以提供桥墩台和桥跨结构的变形状态。但是，此方法外业工作量大，作业时间长，连续监测及测量过程的自动化问题也不容易解决。
3.利用三维激光扫描仪测量桥梁变形
三维激光扫描技术是一项高新技术，是一种利用激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型，既省时又省力。
激光三维扫描技术是将激光测距技术、激光跟踪技术、激光测速技术、激光成像技术等多种激光测量技术有机地结合在一起构成的激光三维成像扫描仪和系统软件组成的综合测量系统。激光三维扫描技术能够快速、高精度、非接触、直接获取研究对象表面空间三维数据，其独特的空间数据采集方式使其具有多方面的技术优势。
3. 1三维激光扫描测量技术的特点
在目前各种测量手段和方法之中，相比之下，三维激光扫描技术来进行地质测量具有独特的优势，它能够完整并高精度地重建扫描实物，快速获得原始测绘数据；可以真正从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠，具有精度高、速度快、逼近原形等优点。该技术归纳起来具有如下一些特点：
（1）非接触测量
三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标、环境(或柔性目标)及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
（2）数据采样率高
目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可达到数万点/秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点/秒。可见采样速率是传统测量方式难以比拟的。
（3）主动发射扫描光源
三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源(激光)，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体数据信息，因此扫描过程中，可以实现不受扫描环境的时间和空间的约束。
（4）高分辨率、高精度
三维激光扫描测量技术可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的，对于单点测量精度也完全满足一般测量需求。
（5）数字化采集，兼容性好
三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出。用户界面友好的后处理软件能够与其他常用软件进行数据交换及共享。
3.2 surphaser三维激光扫描仪工作原理
Surphaser 三维激光扫描仪是按照美国军方标准严格设计和生产的测绘产品，广泛用于工业测量、考古和文物保护、工程测绘和科学研究，从帕特农神庙的数字化保护到NASA空间站及飞行器的测量，Surphaser 充分体现了快速、高精度的特点，是最新三维激光测量技术的体现。
其具有以下特点：
（1）最高扫描速度（120万点每秒）与高精度（0.3毫米精度）和优秀的扫描品质（0.07毫米噪音）的结合。
（2）涵盖从0.2米到140米的扫描范围
（3）超低噪音数据和亚毫米的精度
（4）高扫描密度，质量相当于100M像素数码照片
（5）防尘防水设计，可轻松工作在室内或室外环境
（6）高质量、精确的扫描数据可以导出为多种格式，用于常用点云后处理软件（Polyworks，Realworks Survey，Leica Cyclone，Geomagic等）
3.3数据处理
SurphExpressStandard是Surphaser三维激光扫描仪的专有平台，可以对扫描仪进行实时控制。
（1） 对扫描仪硬件自诊断和自动校正
（2） 对扫描仪实时控制
（3） 进行原始数据的采集和实时压缩
（4）实时数据分析和扫描质量控制
（5） 快速度预览扫描
（6） 用户可自由设置扫描区域以提高工作效率
（7） 多种扫描模式及扫描密度的设计可以胜任更多的扫描项目
（8） 扫描完成数据可以导出多种格式，方便用户导入适合自己的软件进行后期处理。
（9） 独有的视图窗口可以对扫描的数据以二维和三维的方式进行查看。
（10） 平台自带的数据过滤器可以过孤立有用数据去除不可靠数据，以保证数据的可靠性。
4变形监测应用
对于既有道路桥梁来说，由于桥梁墩台较高，利用传统的测量方法，比如在桥梁几处认为受力和变形大的地方贴应变片，通过位移来获得桥梁的变形，但这仅仅能反应这几点处的变形情况，很不全面，每一点的测量费时都在2-5秒不等，更甚者，要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求，而且不能完全反映整个桥梁的实际变形情况，我们采用Surphaser三维激光扫描仪可以获得最直接最直观的图像信息，同时也获得了相对应的变形数据，具有很好的实际应用前景。
我们通过对国道312线某桥梁进行了实地检测，应用效果较好，图像清晰，数据完整，对桥梁的三维变形情况有了更好地掌握。
5结论
文中提出采用三位激光扫描仪对既有的道路桥梁变形情况进行三维扫描测量，这是一种全新的方式，具有较好的应用前景，获得的数据量大，对桥梁变形的测量更全面，同时因为其具有采集图像的功能，直观性很强，可以对桥梁的实际情况把握性更强，方便我们对桥梁的加固维修，作出更有效的判断，但是其也有一定的局限性，三维激光扫描技术是一个新生事物,其技术上还有很多地方需要改进和提高,如①受到安全激光功率的局限,扫描距离和范围有限；②特定材料对激光光源反射不够敏感,造成扫描范围内出现盲区，如潮湿的地表和绿色植被对扫描结果都有较大的影响；③扫描激光光斑随距离的增加而变大，造成扫描结果中物体边缘细节难以识别；④三维处理软件功能有待进一步完善。比如当桥梁位于水中的时候，就比较困难，但总的来说，利用三维激光扫描仪进行桥梁的变形监测具有较广的应用前景，有一定的研究价值。
参考文献：
1. 三维激光扫描测量在汶川地震后都汶公路快速抢通中的应用. 董秀军.黄润秋工程地质学报.2008.16
2. 大型桥梁产生变形的原因及监控方法. 吕佳泽.北方交通.2010.4
3. 激光三维扫描技术在矿区地表沉陷监测中的应用研究.李秋,秦永智. 煤炭工程.2006.4
4. 基于 LIDAR 的铁路线路工程测量应用研究.谭俊.科技资讯.2010（27期）
5. 基于车载激光扫描的公路三维信息提取. 李永强,盛业华等. 测绘科学. 2008年7月
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