桥梁试验仪器(【天宝耐特专栏】天宝SX12三维扫描仪在桥梁健康监测中的应用)

Posted 2023-05-30

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桥梁试验仪器(【天宝耐特专栏】天宝SX12三维扫描仪在桥梁健康监测中的应用)

桥梁健康监测是什么？

为什么要对桥梁进行健康监测？

现在，桥梁健康监测技术是怎样的？

如何有保障地开展桥梁健康监测？

别急，这个项目给你灵感！

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一

项目背景

桥梁健康监测是指通过分析温度、挠度、应变、振动特性等状态参数，得到健康状况评估和损伤分析，为养护管理部门提供科学的决策依据，并给特殊环境和异常交通条件下的桥梁结构提供安全预警。在运营期桥梁的健康监测中，桥梁外观，内部的缺陷检测和几何、力学的特征检测是其状况评估的主要内容，而结构变形是其外部呈现最直观的形式。

针对桥梁变形，常用的监测手段主要有全站仪、百分表、千分表、挠度仪、GNSS技术、物理学传感器和近景摄像测量等；目前该类监测方法虽然技术成熟但自动化程度不高，测点数量受限于观测棱镜，人工作业量大且工作强度高。随着近年来测绘手段的升级更新，三维激光扫描技术已逐渐成为桥梁健康监测技术的重要组成部分。

二

设备介绍

三维激光扫描技术作为全新一代测量技术，其自身的特点改变了传统数据采集和内业数据处理方式，具有非常鲜明的技术优势。此次三岸邕江特大桥运营期健康监测项目中，天宝耐特技术人员选用集测量、成像和3D扫描功能与一体的天宝新一代SX12三维扫描仪，可以实现测绘流程设站、高速扫描、地形测量、影像采集等功能，快速采集到铁路资产管理需要的各种原始数据，极大的降低外业劳动强度和人力成本，提高生产的安全性。

技术优势

（1）快速性

三维激光扫描仪可以瞬时快速完成扫描作业,获取海量点云数据，相比传统的单点观测节省了大量的时间，同时方便后续的数据更新迭代。

（2）时效性与主动性

扫描数据的获取具有实时动态的特征，且不需要外部光源，仅凭自身主动发射激光信号完成扫描，可以降低外界、气温气压等自然条件制约。

（3）高精度与高密度

由于点云数据呈现为点阵和格网，间隔可以通过人为设置达到一定精度与分辨率，因此可以根据实际需要和精度要求进行操作。目前扫描仪最大分辨率下的精度可达亚毫米级。

（4）非接触性

自动发射接收的激光使得人员无需对扫描物体作任何处理或安置反射棱镜，就可以对包括非刚性物体等进行扫描，也可以协助人员在困难或危险的邻域代替测量。

（5）穿透性

该特性使得同一物体不同层面的数据采集成为可能，尤其对于地形地貌和植被覆盖的山坡等，可以还原其本貌和几何。

（6）数字化与自动化

三维扫描仪数字化特征明显，能够方便后续的数据输出与展示，配套的Trimble Business Center、Trimble RealWorks 软件能够完成点云数据的预处理和转换，实现数据的共享和调用。

（7）直观性

通过外置（或内置）数码相机和 CCD 摄像机协助扫描同步进行监测、遥控、选位于拍照，利用真彩色或色彩编码形式显示点云数据，减少不必要的返工和不确定性。

（8）集成性

天宝SX12 为 1″全站仪与扫描仪完美结合，可以直接定位点云数据输出大地坐标系下的坐标，免去坐标转换，方便生产。

三

项目应用

1►项目概况

三岸邕江特大桥为下承式双线铁路桥,位于南宁市三岸园艺场附近,是南(宁)钦(州)铁夫路重点控制性工程，主桥结构为跨越邕江的三跨连续钢桁拱桥(见图1-1)。通过天宝SX12三维扫描仪成功获取实景点云数据，建立桥梁三维数字化档案，更科学地评估桥梁运营期间状态。

图1-1 三维激光扫描区域位置示意图

1.1技术规范

《地面三维激光扫描作业技术规程》（CH/Z 3017——2015）

《地面三维激光扫描工程应用技术规程》（T/CECS790-2020）

《三维地理信息模型生产规范》（CH/T 9016——2012）

《变形测量成果质量检验技术规程》（CH/T 1028——2012）

《高速铁路工程测量规范》（TB 10601-2009）

1.2成果要求

三岸邕江特大桥完整点云数据.las×1

点云配准精度报告.docx×1

CPIII坐标复测对比表.xlsx×1

1.3作业流程

2►外业数据采集

(1）根据项目要求，首先明确桥面已知控制点位置，作为扫描数据的基准，在无法利用已知点架站的位置，提前布设反射片以进行后方交会设站（如图1-2）。依托 Trimble SX12扫描仪具有测量流程的特点，以此方式设站进行扫描获取的点云数据，均为已知坐标系内绝对位置，无需坐标转换。

图1-2 反射片布设位置

(2）根据现场作业要求，天窗期上道扫描时间有限，且布设反射片、架设棱镜均需要打光，部分扫描测站采用特征点进行配准，在扫描时注意相邻测站采集的重叠率。

(3）根据现场实际情况，对桥拱、桥墩进行扫描，在扫描仪架站时选择四边形的方式对扫描区域进行有效覆盖，具有多余观测量，可提高扫描效率及降低点云间误差。

(4）根据Trimble SX12扫描仪可自由框选被扫物的特点，若有不足则相应调整角度，包裹扫描物体；若有冗余则相应缩小范围，节省时间，选定范围后对桥梁主体结构进行加密扫描，获取精细点云数据。

3►内业数据处理

（1）天宝SX12三维扫描仪无需再进行坐标转换，内业直接使用Trimble RealWorks软件进行手动配准、去噪分割，整体点云数据可导出完整的配准报告，并进行精准的桥体结构量测分析。

（2）根据软件的自动分类功能，可分别对桥拱、桥面、桥墩等桥梁的各关键部位进行分析，或对目标区域及逆行精准量算和检验。

（3）对处理好的三维点云数据可直接在Trimble RealWorks软件中进行三维建模，也可直接联合SketchUp或者CAD建模。

4►部分数据成果

后方交会设站精度

Trimble Access外业软件扫描数据预览

三岸邕江特大桥点云配准精度报告

部分点云-1

部分点云-2

部分点云-3

部分点云-4

四

结论

针对本次项目，得益于天宝SX12三维扫描仪这一数据采集工具，可极大地改善客户体验，交付成果满足客户需求，归纳总结如下：

归纳总结

1、2人2个工作日时间即可完成桥梁整体的外业扫描工作，总计34个测站，44个扫描，外业快速且高效（特殊条件除外，如天窗期）。

2、在点云拼接处理方面，基于现场控制点设站数据无需拼接，整体点云精度取决于控制点精度；基于特征点拼接数据，三岸邕江特大桥整体点云配准精度达到2mm，配准精度相对较高。

3、考虑到钢结构桥梁运营时长及热胀冷缩现象，本项目采用非桥身CPIII控制点设站，对桥身控制点进行复测，与设计坐标分析比对，其中X坐标最大位移量70.7mm为0008305点（里程K008+145.000）, Y坐标最大位移量57.5mm为0008302点（里程K008+111.000）, Z坐标最大位移量4.8mm为0008307点（里程K008+211.000）。

4、高精度的三维点云数据模型，可为该桥梁结构技术状态建立档案，为运营期间桥梁的结构养护工作和规范化运营提供指导和建议。

因年代久远或档案保存不当，现有许多在役桥梁的设计图纸与资料存在遗失的状况，随着现代数字化进程的发展，桥梁三维数字化档案的建立也是一大热点。结合此次桥梁健康监测实际案例中可以发现，天宝SX12三维扫描仪作为高效率、高精度的桥梁监测技术，可为桥梁的施工、管理、运营等提供全面的解决方案。天宝耐特将继续大力推进三维激光扫描技术在桥梁监测方面的应用，为桥梁管理决策提供科学依据。