CN109520439B - 一种桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,包括步骤:在桥面两侧的人行道架设三个扫描站点,在桥塔附近的附属设施上固定四个拟合标靶球;各扫描站点按设定的间隔周期完成桥塔扫描得到桥塔点云数据模型;将多次桥塔点云数据模型进行对齐后建立参考模型与对比模型的偏差色谱图;对比模型中每个Z向剖面与所述三条棱线的交点在X和Y方向相对参考模型的偏差值即为该Z向位置的挠度值;对偏差值进行二项式曲线拟合得到X和Y方向的扰度监测结果曲线图。本发明利用三维激光扫描仪技术快速、高效地获得了大桥桥塔的3条棱线在横、顺桥向的变化情况,解决了桥塔无预制反射棱镜与测点有限的问题,为桥梁长期的变形监测提供了新的方向。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁变形监测领域,尤其涉及一种桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法。
背景技术
桥梁结构的变形监测对象虽然繁多,但总体而言不外乎水平方向和垂直方向的位移两种。为了满足监测对象的要求,目前桥梁变形监测主要沿用传统的监测方法,即大地测量方法和物理传感器方法。传统上采用光学或电子测量仪器,包括水准仪、经纬仪、全站仪等,周期而重复性地对既定测点的三维坐标进行检测,从而监测水平位移和垂直位移。该方法从80年代起一直沿用至今,精度和灵活性都较高,但自动化程度和监测速度都较低。而物理传感器是针对桥梁结构局部的变形,通过应变计、位移计、电子水平仪的金属丝电阻应变效应,使得传感设备获取监测点的局部变形信息。该方法虽然实现自动监测,但无法掌握变形的整体情况,存在一定的局限性。三维激光扫描技术的出现为桥梁变形监测提供了一种思路,该技术具有非接触测量,数据密度大、精度高,数字化、配合性好等特点
该桥位于广州市番禺区南郊,呈南北走向,其上部结构为不对称钢砼混合体系独塔单索面斜拉桥。桥塔高43.88m,为H型截面;主桥长150m,纵向分跨为30m(钢箱梁)+80m(钢箱梁)+40m(砼箱梁),于2004年通车。桥塔通过4根拉索承担主跨自重和部分行车荷载,在不同荷载下会产生不同挠曲,因此观测桥塔的几何形态变化能反映桥塔结构受力的变化情况。随着交通量的与日俱增,为确保桥梁的安全运营以及提供维护的科学依据,该桥亟需进行健康监测。而该桥塔顶端上并未设置反射棱镜,无法采用全站仪等传统方法直接观测桥塔。
发明内容
针对上述技术问题,本发明的目的是提供一种三维激光扫描技术对于桥塔上未设置反射棱镜,无法采用全站仪等传统方法直接观测桥塔,以替代全站仪等传统方法对桥塔进行变形监测。
本发明的技术方案如下:
一种桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,包括步骤:
在桥面两侧的人行道架设三个安装三维扫描仪的扫描站点,在桥塔附近的附属设施上固定四个拟合标靶球;
各扫描站点的三维扫描仪按设定的间隔周期完成桥塔扫描后,将储存在SD卡中的三站点云数据分别导入三维存档软件Scene中进行识别和配准后建立三个站点视角下的桥塔点云数据模型并导出为xyz格式文件输入三维检测软件Qualify;
将多次检测的每期桥塔点云数据模型进行对齐,对齐时前一期的桥塔点云数据模型为参考作对齐,后一期桥塔点云数据模型作对比模型;
令桥塔横梁处为原点O,横桥向为X方向,顺桥向为Y方向,竖直向为Z方向;在Qualify的处理中,建立参考模型与对比模型的偏差色谱图;
利用空间平面与桥塔相交标定三条棱线,沿偏差色谱图的Z轴(桥塔竖直)方向每隔2-3m生成一个剖面,采用3d偏差测试对比模型中每个剖面与所述三条棱线的交点在X和Y方向相对参考模型的偏差值即为该Z轴位置的挠度值;
对每期检测中各剖面的X和Y方向的偏差值进行二项式曲线拟合得到X和Y方向的扰度监测结果曲线图。
进一步优选的方案中,所述的扫描站点距桥塔顶端45-50m,距塔底18-22m,距四个拟合标靶球10~20m。
进一步优选的方案中,在扫描前还包括步骤:
设置三维扫描仪的分辨率、扫描范围的水平角和竖直角,将扫描时间控制在半小时以内且能容纳被扫描物。
进一步优选的方案中,所述三维扫描仪在架设后通过仪器内部电子水平气泡和倾角传感器进行自动调平,保证水平倾角在±5°以内。
进一步优选的方案中,所述的四个拟合标靶球固定在远离桥塔或箱梁底面并且可让扫描站点相互通视的位置。
进一步优选的方案中,各扫描站点的三维扫描仪在正式扫描前还包括步骤:
利用全站仪及TSP定位系统定位进行精度验证,确定三维扫描仪对点测量精度,保证所有点云模型都能统一到绝对坐标下。
进一步优选的方案中,所述利用全站仪及TSP定位系统定位进行精度验证,确定三维扫描仪对点测量精度的步骤具体包括:
在已知坐标点布置一个同心标靶球,以贴合实际监测距离;
通过全站仪及TSP定位系统测定双棱镜基座和棱镜标靶球的坐标为基准,计算出绝对坐标系下三维扫描仪激发点和同心棱镜标靶球的相对位置与角度;
然后让三维扫描仪对同心棱镜标靶球进行多次扫描,求得球心坐标中误差;
TSP定位系统生成csv文件导入三维存档软件scene中,用于协助每一期的拼成的整体点云模型统一到绝对坐标系下。
进一步优选的方案中,三站点云数据进行识别和配准前还包括步骤:
通过三维存档软件Scene对扫描得到的三站点云数据进行进行配准、滤波和降噪处理,手动删除不相关的点云,去除冗余部分。
进一步优选的方案中,进行二项式曲线拟合时,多项式的阶数k可根据AIC准则确定:在线性模型的拟合中,选择使AIC值达到最小的变量子集即为最优模型。使拟合准确。
进一步优选的方案中,所述的三维激光扫描仪采用Faro Focus X330三维激光扫描仪。
相比现有技术,本发明的优势包括:
本发明利用三维激光扫描仪技术快速、高效地获得了大桥桥塔的3条棱线在横、顺桥向的变化情况,解决了桥塔无预制反射棱镜与测点有限的问题。三维激光扫描技术凭借着高精度、便捷性和非接触式等优势,整体而连贯地获取桥梁表面的数据,为桥梁长期的变形监测提供了新的方向。此外,该技术可应用于不同桥型或不同结构的扫描。
附图说明
图1是本发明中原桥索塔立面示意图。
图2是本发明中桥面控制网布设示意图。
图3是本发明中桥塔三条特征棱线示意图。
图4是本发明中桥塔X方向长期扰度监测结果曲线图。
图5是本发明中桥塔Y方向长期扰度监测结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
本实施例对广州某大桥塔柱进行长期监测从2017年3月16日开始至8月18日共计6次,并记录当时交通量水平与风力、温度,该大桥的结构如图1所示,所述桥梁桥塔为独塔单索、面斜拉桥,“H”型截面,共设4根斜拉索承担主跨自重和部分行车荷载。由于该桥塔顶端上并未设置反射棱镜,无法采用全站仪等传统方法直接观测桥塔,因此采用本实施例的检测方法进行该桥塔的变形监测。
一种桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,包括步骤:
步骤1、如图2所示,在桥面两侧的人行道架设三个安装三维扫描仪的扫描站点A、B、C,在桥塔附近的附属设施上固定四个拟合标靶球1、2、3、4,用于后续各站点云的拼接,所述的三维激光扫描仪采用Faro Focus X330三维激光扫描仪(标称25m内点位精度为±2mm),所述三维扫描仪在架设后通过仪器内部电子水平气泡和倾角传感器进行自动调平,保证水平倾角在±5°以内;所述的四个拟合标靶球固定在远离桥塔或箱梁底面并且可让扫描站点相互通视的位置。各扫描站点距桥塔顶端约50m,距塔底约20m,距4个拟合标靶球均在10~20m以内。为了提高扫描效率以及降低拼接误差,在人行道设置三个扫描站点即可。
步骤2、在三维扫描仪正式扫描前采用全站仪辅以TSP系统进行精度验证,确定三维扫描仪对点测量精度,保证所有点云模型都能统一到绝对坐标下,具体为:将一个同心棱镜标靶球放置于人行道上距扫描仪20m处,以贴合实际监测距离;以全站仪读出双棱镜基座和棱镜标靶球的坐标为基准,计算出扫描仪激发点和标靶球的相对位置;然后让三维扫描仪对棱镜标靶球进行5次扫描,求得球心坐标中误差。经计算,点位中误差为4.0mm,高程中误差为0.7mm。由规范得知,该三维扫描仪对点测量精度满足等级三要求(变形观测点的点位中误差≤6mm,高程中误差≤1mm),即可对大型桥梁实施长期监测。TSP定位系统生成csv文件导入三维存档软件scene中,用于协助每一期的拼成的整体点云模型统一到绝对坐标系下。
步骤3、将三维扫描仪分辨率设置为1/1.4倍质量,并根据实际需要设置扫描范围的水平角和竖直角,将每站扫描时间控制在半小时以内。调整的过程可通过在正式扫描开始前应进行预扫描来实现:选定最低分辨率与质量快速判定水平角与竖直角是否可以容纳被扫物,若有不足则相应调整角度,包裹扫描物;若有冗余则相应缩小范围,节省时间,扫描范围水平角与竖直角根据预扫描实际情况作出调整。
步骤4、三维扫描仪开扫描,扫描完成后,将储存在SD卡中的三站点云数据分别导入三维存档软件Scene中,由于桥塔的初始点云数据在空间上非常庞大,并含有大量冗余点和噪点,需要进行配准、滤波和降噪处理,手动删除不相关的点云,去除冗余部分,再将三站的点云进行基于标靶球的识别与配准建立三个站点视角下的桥塔点云数据模型并导出为xyz格式文件输入三维检测软件Qualify;
步骤5、为反映桥塔在挠度上的变化,选取点云数据模型中的三条特征棱线a、b、c作为研究对象,计算挠度值,如图3所示。但特征棱线的点云并不能精确落在棱线上,而是落在棱线附近,故需先进行提取。
步骤6、将多次检测的每期桥塔点云数据模型进行对齐,在共计6次的长期监测的模型对齐中,将每期桥塔模型以M1到M6的顺序命名,它们分别根据前一期的模型为参考作对齐,如“M1M2”是M1作参考模型,M2作对比模型。
步骤7、令桥塔横梁处为原点O,横桥向为X方向,顺桥向为Y方向,竖直向为Z方向;在Qualify的处理中,建立参考模型,对比模型的偏差色谱图,采用3d偏差测试对比模型上任意点到参考模型上的最短距离。本实施例利用空间平面与桥塔相交标定三条棱线,沿Z轴(桥塔竖直)方向每隔2m生成一个剖面,每个剖面上与棱线的交点在X和Y方向的偏差值即为该方向的挠度值,应注意的是,每一次偏差值应该叠加累积,最终形成累计观测的结果。
步骤8、由于点云获得的偏差值呈折线状,故需对其进行二项式曲线拟合得到X和Y方向的扰度监测结果曲线图,如图4和图5所示。为使拟合准确,多项式的阶数k可根据AIC准则确定:在线性模型的拟合中,选择使AIC值达到最小的变量子集即为最优模型。
如图4和图5所示,从整体上来看,三条棱线的斜率都非常接近说明桥塔在拉索与桥面荷载的影响下呈整体摆动,具有较好的几何变化相似性与一致性。对于横桥X向而言(见图4),3月~8月的桥塔棱线挠度在0附近呈增长和回调的变化,幅度均在8mm内,没有明显积累于一个方向的趋势,故其稳定性较好;在6月到7月之间挠度变化最大,三条棱线△X均在8mm以上,其中以b棱线△X=9.3mm为最大,倾斜角约为44”。
对于顺桥Y向而言(见图5),3月~8月的桥塔棱线挠度仅在0以上增长和减少,幅度均在9mm以内,说明桥塔仅向主跨挠曲;仍以6月到7月之间挠度变化最大,三条棱线△Y均在5mm以上,其中b棱线△Y=5.8mm为最大,倾斜角约为27”。综上说明,6、7月份的交通量与日照等因素对该桥塔影响最大,但仍在允许范围内,证明桥梁处于健康运营。
应说明的是,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,包括步骤:
在桥面两侧的人行道架设三个安装三维扫描仪的扫描站点,在桥塔附近的附属设施上固定四个拟合标靶球;
各扫描站点的三维扫描仪按设定的间隔周期完成桥塔扫描后,将储存在SD卡中的三站点云数据分别导入三维存档软件Scene中进行识别和配准后建立三个站点视角下的桥塔点云数据模型并导出为xyz格式文件输入三维检测软件Qualify;
将多次检测的每期桥塔点云数据模型进行对齐,对齐时前一期的桥塔点云数据模型为参考作对齐,后一期桥塔点云数据模型作对比模型;
令桥塔横梁处为原点O,横桥向为X方向,顺桥向为Y方向,竖直向为Z方向;在Qualify的处理中,建立参考模型与对比模型的偏差色谱图;
利用空间平面与桥塔相交标定三条棱线,沿偏差色谱图的Z轴(桥塔竖直)方向每隔2-3m生成一个剖面,采用3d偏差测试对比模型中每个剖面与所述三条棱线的交点在X和Y方向相对参考模型的偏差值即为X和Y方向在该Z轴位置的挠度值;
对每期检测中各剖面的X和Y方向的偏差值进行二项式曲线拟合得到X和Y方向的扰度监测结果曲线图。
2.根据权利要求1所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,所述的扫描站点距桥塔顶端45-50m,距塔底18-22m,距四个拟合标靶球10~20m。
3.根据权利要求1所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,在扫描前还包括步骤:
设置三维扫描仪的分辨率、扫描范围的水平角和竖直角,将扫描时间控制在半小时以内且能容纳被扫描物。
4.根据权利要求1所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,所述三维扫描仪在架设后通过仪器内部电子水平气泡和倾角传感器进行自动调平,保证水平倾角在±5°以内。
5.根据权利要求1所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,所述的四个拟合标靶球固定在远离桥塔或箱梁底面并且可让扫描站点相互通视的位置。
6.根据权利要求1所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,各扫描站点的三维扫描仪在正式扫描前还包括步骤:
利用全站仪及TSP定位系统定位进行精度验证,确定三维扫描仪对点测量精度,保证所有点云模型都能统一到绝对坐标下。
7.根据权利要求6所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,所述利用全站仪及TSP定位系统定位进行精度验证,确定三维扫描仪对点测量精度的步骤具体包括:
在已知坐标点布置一个同心标靶球,以贴合实际监测距离;
通过全站仪及TSP定位系统测定双棱镜基座和棱镜标靶球的坐标为基准,计算出绝对坐标系下三维扫描仪激发点和同心棱镜标靶球的相对位置与角度;
然后让三维扫描仪对同心棱镜标靶球进行多次扫描,求得球心坐标中误差;
TSP定位系统生成csv文件导入三维存档软件scene中,用于协助每一期的拼成的整体点云模型统一到绝对坐标系下。
8.根据权利要求1所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,三站点云数据进行识别和配准前还包括步骤:
通过三维存档软件Scene对扫描得到的三站点云数据进行进行配准、滤波和降噪处理,手动删除不相关的点云,去除冗余部分。
9.根据权利要求1所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,进行二项式曲线拟合时,多项式的阶数k可根据AIC准则确定:
在线性模型的拟合中,选择使AIC值达到最小的变量子集即为最优模型,
使拟合准确。
10.根据权利要求1所述的桥梁塔柱三维激光扫描仪变形监测方法,其特征在于,所述的三维激光扫描仪采用Faro Focus X330三维激光扫描仪。
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Granted publication date: 20201211 |