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[分享]桥梁监测预警应用——钢管混凝土拱桥三维激光扫描
2017年11月1日至11月4日，长安大学桥梁系梁鹏教授课题组联手天宝授权代理商北京麦格天渱有限公司，展开“钢管混凝土拱桥三维激光扫描监测预警技术研究”的第四次现场扫描工作。
本项目依托具有“西北第一跨”美称的石门水库大桥工程，大桥连接两条特长隧道石门隧道（8km）和牛头山隧道（5.6km），是宝汉高速控制性工程两隧一桥中的关键性节点工程。
然而工程现场的实际情况，给三维激光扫描作业带来了重重困难：
（1）大跨径。大跨径导致观测距离加大，从而使得点云精度和密度下降，影响点云拼接和特征提取精度；大跨径还导致大量增加拼图数量，从而使得数据处理难度急剧增加。
（2）缺少特征边线。目前结构工程中激光扫描技术应用的研究对象大多是形状特征明显、棱角分明的结构，例如房屋建筑、梁式桥等。然而，钢管混凝土拱桥桁架式主拱肋由多个上下弦杆、腹杆圆形构件组成，存在大量的曲面和曲线元素，缺少边线、交点等特征线。拼接三维模型时，从不同时间、不同位置采集的三维图像很难找到相应的参照物，点云拼接的难度大幅增加。
（3）精度要求高、点云要求密。这导致1个测站的测量时间超过1小时，期间施工、温度变化、风都会导致结构位移和振动，测量受施工和环境干扰较大。
（4）现场条件复杂。施工阶段测站和标靶设置受限，受施工干扰大。
要想完成本次作业，需要做控制点和超远距离扫描到大桥内外侧整体三维点云数据，项目组最终选定了Trimble SX10影像扫描仪，深度集成了全站仪和扫描仪的新型测绘设备。
首先，利用SX10的全站仪功能5500米测程和1mm精度的优点，进行导线测量，在大桥的四周布设相应数量的导线控制点，以便后续的坐标转换和相关测量工作。
桥体、桥头、桥侧位置控制点布设
利用SX10的高精度全站仪功能做好导线控制测量后，在相应的控制点位置进行扫描作业，在桥的这边架站，就可以轻松扫描到桥的另外一边的三维点云数据，同时获取到本站四周的最终将整座大桥的信息以三维点云+色彩的方式实时展现出来，通过在不同的角度进行多方位进行扫描观测，确保大桥三维数据的齐全性、完整性和正确性。
在桥头和桥侧位置进行扫描作业通过在桥侧方位进行架站扫描可以获取更多的桥体三维点云信息，通过利用SX10的600米扫描测程的优势，在四周的任何位置作业都可以将大桥的三维点云数据采集到位，并确保精度可靠。
利用RealWorks和TBC软件对三维点云数据强大的自动处理功能，可以实现高精度点云数据全自动拼接和目标提取，并且还可以实现对点云数据的编辑、取样、去噪等。
配准后桥体三维点云数据
并且还可以将点云数据与场景影像共同加载，达到更真实的效果。
点云与影像叠加
通过对桥体的吊柱、衔接点、悬挂线等目标区域进行提取，进一步分析特征区域信息，有助与后续的桥体、桥梁、桥墩和衔接柱的检测分析。通过大量的提取桥体特别目标信息，能够非常容易的计算出目标间的距离和相关属性。
吊装目标提取
各吊装与控制点的关系
利用点云建模工具对整个桥梁的拱柱进行拟合建模，可以更为方便的提取拱柱的中轴线信息和相关节点信息，以便于后续的检测工作。
桥梁拱柱拟合情况
整体桥梁在进行对应的坐标转换工作后，利用三维测量工具对桥梁各关键部件和目标区域进行精准量算和检验。
桥梁各部件尺寸分析
各吊装提取情况
对处理好的三维点云数据可以直接在RealWorks软件中点击SketchUp或者CAD功能进行三维建模，或者可以导出LAS等格式在3D MAX等软件中进行三维建模。下图为通过利用三维点云数据对整座桥梁建模后的成果。
整座大桥的模型效果
大桥模型整体情况
本次作业之所以能够在这么复杂多样的环境中精准、高效地完成任务，最重要的原因归结于Trimble SX10具有超远程全站仪、三维扫描仪和高清影像采集仪于一身的独特性能。SX10的闪电3DM技术，5分钟左右便可采集完一站的影像和三维点云数据，通过TBC软件可以分别处理导线数据和三维点云数据，使得内业数据处理无缝链接，过程更简单、更方便、更快捷。
本次实践表明，SX10影像扫描仪可以同时实现高精度的控制测量(基准定位)，并在超远距离下获得高精度的扫描成果，而这两项都是目前三维扫描工作的难点。
Trimble SX10影像扫描仪把传统测绘技术和三维扫描技术融合得相当完美，确保了本次项目的成功，为后续的实际监测预警应用，如几何监测、变形监测、施工误差监测和虚拟现实等提供了扎实、精确的三维实景数据基础，以及高效便利的操作性。
来源：Trimble天宝
微信公众号 道路瞭望
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