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地面三維激光掃描技術(shù)在大橋變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

所屬欄目:礦業(yè)論文 發(fā)布日期:2011-04-30 19:12 熱度:

  摘要:本文針對(duì)重慶李家沱大橋研究了地面三維激光技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。從激光掃描測(cè)量?jī)x器設(shè)備的精度測(cè)試、數(shù)據(jù)后處理的理論與方法、誤差的成因及影響、與常規(guī)測(cè)量結(jié)果比較等方面,討論了三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題,具有典型的代表意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
  關(guān)鍵字:變形監(jiān)測(cè),三維激光掃描,重慶李家沱長(zhǎng)江大橋
  
  1. 引言
  重慶是山地城市,溝谷、河流縱橫,被譽(yù)為橋梁之都,它們的安全運(yùn)營(yíng)、使用直接關(guān)系到人民的安全及出行。為提高變形監(jiān)測(cè)效率,降低安全隱患,避免監(jiān)測(cè)目標(biāo)的損傷,獲取更多的大橋體的變化信息,將地面三維激光掃描技術(shù)引入到橋梁變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。我院一直對(duì)長(zhǎng)江和嘉陵江上的十多座橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)測(cè),每次監(jiān)測(cè)投入的人力較多,時(shí)間長(zhǎng),安全隱患大。本文以李家沱大橋2號(hào)塔柱的變形監(jiān)測(cè)為例,從激光掃描測(cè)量?jī)x器設(shè)備的精度測(cè)試、數(shù)據(jù)后處理的理論與方法、誤差的成因及影響,討論了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的可行性、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題,從而進(jìn)一步推動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用。
  
  2. 地面三維激光掃描測(cè)量工作原理與特點(diǎn)
  2.1工作原理
  激光掃描儀的測(cè)距方法是根據(jù)光學(xué)三角測(cè)量的原理,以激光作為光源,通過(guò)掃描儀內(nèi)的發(fā)射裝置,將激光束投射到被測(cè)物體表面,并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量,通過(guò)測(cè)量每個(gè)激光脈沖,從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的
  時(shí)間或相位差,計(jì)算出激光掃描儀到物體掃描點(diǎn)之間的距離值S和反射強(qiáng)度I,α、θ和S被用來(lái)計(jì)算激光打在被測(cè)物體上的掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)(見(jiàn)公式1),掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度I則用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色。這樣就能夠獲取被測(cè)對(duì)象表面每個(gè)采樣點(diǎn)的空間立體坐標(biāo),從而得到被測(cè)對(duì)象的離散采樣點(diǎn)集合,即激光點(diǎn)云。α、θ的大小由掃描控制模塊控制,反映的是分辨率。因此,掃描儀根據(jù)應(yīng)用目的不同,選擇距離S和角分辨率,角值越小,點(diǎn)云越多,模型更精細(xì),紋理更清晰。
  2.2地面三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn):
  (1)測(cè)量速度快、效率高,最高達(dá)5000點(diǎn)/秒;
  (2)信息量豐富,以大量的點(diǎn)云坐標(biāo)代表監(jiān)測(cè)體,且?guī)в薪ㄖw表的紋理信息;
  (3)測(cè)量的準(zhǔn)確性高,精度根據(jù)儀器型號(hào)、距離遠(yuǎn)近、反射面的反射程度不同而有差異,能滿足10mm-0.003mm的精度;
  (4)非接觸測(cè)量,有利于保護(hù)被測(cè)物體,無(wú)需埋點(diǎn),節(jié)省資金和時(shí)間,減少了安置反射標(biāo)志帶來(lái)的安全隱患;
  采用地面三維激光掃描技術(shù)能夠快速、連續(xù)、自動(dòng)地獲取高精度、高密度的三維數(shù)據(jù),獲得的三維點(diǎn)云具有廣泛的應(yīng)用性。
  3. 地面三維激光掃描測(cè)量
  3.1儀器選擇及可行性分析
  大橋主橋塔柱距江岸橋臺(tái)遠(yuǎn)近不一,根據(jù)重慶長(zhǎng)江李家沱塔柱頂距橋面有117米,2塔柱距按岸邊距離224米,選擇了天寶公司的TrimbleFX3D掃描儀,該儀器最大測(cè)程為350m,在100m內(nèi)其點(diǎn)間距為2.5mm,200米內(nèi)單點(diǎn)精度6.5mm,模型化后一般能夠達(dá)到2mm的點(diǎn)位精度。在進(jìn)行掃描測(cè)量前對(duì)TrimbleFX3D掃描儀的測(cè)距精度進(jìn)行了測(cè)試。
  由表1可知,在50米內(nèi),掃描精度能滿足一級(jí)變形精度要求,在150米內(nèi)能滿足二級(jí)變形精度要求,220米內(nèi)能滿足三級(jí)變形精度要求,300米附近只能用于變形量較大的監(jiān)測(cè)對(duì)象,能反映出監(jiān)測(cè)體的變化趨勢(shì)。
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  3.2站點(diǎn)的選擇與外業(yè)掃描
  科學(xué)合理地架設(shè)掃描儀機(jī)位,對(duì)采集高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)、提高測(cè)量精度、全面反映場(chǎng)景細(xì)節(jié)有著十分重要的意義。對(duì)于斜拉橋來(lái)說(shuō),最大的變化在橋的縱向上,因此,本次試驗(yàn)選擇在李家沱大橋北橋臺(tái)上設(shè)站,對(duì)重慶李家沱大橋進(jìn)行四個(gè)不同時(shí)期的數(shù)據(jù)采集。為保持地面三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)云與常規(guī)儀器測(cè)量記過(guò)保持在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中,不再進(jìn)行坐標(biāo)套合,獲取點(diǎn)云的工藝流程與傳統(tǒng)測(cè)量方法相似。先架設(shè)儀器,輸入站點(diǎn)坐標(biāo),后視定向,設(shè)置掃描參數(shù),通過(guò)彩色攝像機(jī)實(shí)時(shí)選擇測(cè)量區(qū)域,開(kāi)始自動(dòng)掃描作業(yè)、記錄、保存。能在幾分鐘內(nèi)得到感興趣的區(qū)域詳盡準(zhǔn)確的三維立體模型。還可以通過(guò)設(shè)置分辨率來(lái)調(diào)節(jié)掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù),以控制掃描的時(shí)間效率。需要時(shí)可進(jìn)一步添加掃描對(duì)象或以更高分辨率疊加掃描細(xì)部區(qū)域。
  3.3數(shù)據(jù)處理的理論與方法
  三維激光掃描的成果數(shù)據(jù)應(yīng)用均基于大量點(diǎn)云的后處理。對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù),根據(jù)需要可以進(jìn)行長(zhǎng)、寬、高、面積、體積等幾何數(shù)據(jù)的量測(cè);也可以進(jìn)行斷面圖、投影圖、等高線(等值線)圖的生成。此外,點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以重構(gòu)目標(biāo)的實(shí)體模型,生成二維或三維視圖,也可進(jìn)行任意截面切取分析。
  原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差、錯(cuò)誤和無(wú)關(guān)信息。這些粗差、錯(cuò)誤或無(wú)關(guān)信息的修正和處理工作,目前主要采用的是利用儀器供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)處理軟件,人工交互剔除。剔除噪聲點(diǎn)是非接觸掃描數(shù)據(jù)處理的一個(gè)關(guān)鍵,但在操作時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎從事,以免丟失有用的重要數(shù)據(jù)信息。
  3.4誤差的成因及影響
  影響地面三維激光雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)精度的因素較多,主要包括:步進(jìn)器的測(cè)角精度、儀器的測(cè)時(shí)精度、激光信號(hào)的信噪比、激光信號(hào)的反射率、回波信號(hào)的強(qiáng)度、背景輻射噪聲的強(qiáng)度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測(cè)點(diǎn)間的距離、儀器與被測(cè)目標(biāo)面所形成的角度等。
  這些影響因素直接導(dǎo)致了相應(yīng)誤差的產(chǎn)生。在不考慮信號(hào)測(cè)量誤差的影響下,地面激光雷達(dá)的采樣數(shù)據(jù)的精度主要取決于激光光斑的尺寸和光斑的點(diǎn)間距,這是影響其分辨率的主要因素。通常情況下,激光掃描數(shù)據(jù)的模型精度要顯著高于單點(diǎn)的精度,可以考慮通過(guò)設(shè)立標(biāo)靶、球形目標(biāo)的坐標(biāo)來(lái)改正點(diǎn)云的坐標(biāo),提高掃描模型的精度。
  原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差、錯(cuò)誤和無(wú)關(guān)信息。這些粗差的剔除是掃描數(shù)據(jù)處理的一個(gè)關(guān)鍵,目前主要采用的是人工交互操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。
  4. 李家沱大橋2號(hào)塔柱變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析
  4.1數(shù)據(jù)處理

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文章標(biāo)題:地面三維激光掃描技術(shù)在大橋變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

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