基于三維激光掃描的軌道交通橋梁墩柱水平位移自動監測方法

趙 棟

(中材地質工程勘查研究院有限公司,北京 100102)

0 引言

隨著現代化社會的飛速發展,國內建筑工程項目數量與日俱增,規模也越來越大,因此,對于建筑項目的安全成為人們重點關注的問題。由于高速公路和鐵路等軌道交通工程項目在建設中,存在大量的橋梁建設工程,而橋梁墩柱在地震或風崩等自然災害發生時,會承受巨大的力量,導致其發生一定程度的位移。此外,人為因素如過載、施工不當等也可能引起橋梁橋墩的位移。如果橋梁墩柱的位移超過了規定的安全范圍,可能會導致結構安全受損,甚至威脅到行車的安全[1]。同樣也會使得橋梁的維護成本和維護周期增加。因此,需要對橋梁墩柱的位移情況進行監測。

有研究學者采用全球導航衛星系統(globalnavigation satellite system,GNSS)和全站儀自由測站相結合的方法,對跨海大橋橋墩水平位移進行監測。使用GNSS定位方法,布設方便聯測的工作基點,使用平差軟件對測量數據進行處理,計算監測點對應坐標的誤差,實現跨海大橋橋墩水平位移的精準監測[2]。還有學者在綜合考慮監測周期、現場條件之后,建立了針對橋梁高墩墩頂位移的監測系統,采用位移傳感器對主梁和橋墩柱位移情況進行監測[3]。但是上述方法容易受到監測環境的影響,降低了監測的精準度,影響最終的監測結果。

三維激光掃描技術采用非接觸式的測量方式,跨越各種障礙物進行測量,可以有效避免傳統測量方法中出現的死角和盲區,采集到的三維數據可以通過現代化的計算機軟件進行處理和分析,能夠以極高的分辨率獲取橋梁結構的三維模型,具有高精度的測量能力,可以實現對橋梁墩柱位移的有效監測。將三維激光掃描技術應用與軌道交通橋梁墩柱的位移監測中,根據試驗區邊坡地質條件及自動化儀器的設置,仔細規劃掃描過程,提升了掃描的實時性與可靠性,結合誤差反應結果能夠及時監測邊坡位移變化的情況。

因此,為了解決現有監測方法存在的不足,本文采用三維激光掃描技術,對軌道交通橋梁墩柱水平位移自動監測方法展開研究。

1 軌道交通橋梁墩柱水平位移自動監測

1.1 三維激光掃描橋梁墩柱預留變形

三維激光掃描通過激光發射裝置將激光發射至被測物體表面,計算返回激光從發射點到返回后的時間長短,得到對應距離為S,在測距過程匯總掃描儀對目標點水平與垂直的夾角進行高速旋轉,根據測量點的位置坐標p(x,y,z)形成目標空間密集點云數據。使用三維激光掃描設備采集點云數據,并運用攝像機拍攝被測目標的影像數據,將得到的影像數據進行數字化處理。對該工程橋墩K0+013.800～K0+046.800段進行水平位移監測,在橋梁施工中,橋墩開挖后處于臨空狀態,運用三維激光掃描可以獲得斷面與設計斷面套合,得到初始凈空值為b0,數據采集過程中按照橋墩水平位移量監測隨時控制監測頻率。在測試站點布置兩個反射裝置,將兩個反射裝置沿著橋梁墩柱縱向放置,并位于監測設備9～12 m處。兩個反射裝置分別擺放在對應位置,并使得兩個裝置之間存在一定的高度差[4]。運用測量儀器測量反射裝置的中心點坐標,有利于工程坐標轉換。計算兩組點云數據之間的相鄰點距離,對變形程度進行分析。設定鄰近點a與b,兩個點之間的距離為l。設定s為距離l的參照面,在s1中尋找距離s2最近的點并計算兩點之間的距離。兩組點云數據變形公式為

(1)

式中,ai為參照點云數據s1中的任意點;bi為鄰近點。l2在一般情況下準確程度與s1和s2的粗糙程度和點密度有關。點云拼接的精度可以通過獨立的控制點或者通過沒有參加拼接運算的參考平面進行檢校。不同方向的拼接誤差是不同的,如果拼接時三維的約束存在不均勻情況,則無法在空間內均勻分布,因此可能導致一組點云數據中出現部分點云數據拼接精度較低的情況[5]。由于點云數據的粗糙度和掃描儀本身的點位置不確定性,會導致在兩次掃描獲取的點云數據中,同一位置上的點較難被準確識別為同一個點。由此可能導致即使表面在兩次監測中未發生變化,但依舊會使表面出現一些視覺變化。為了消除粗糙度的影響,需設立置信區間,提高點云拼接精度。

1.2 全息位移自動化監測

當存在真正變形的時候,封閉的模型會發生改變,可通過對模型的識別來確定變化的范圍[6]。點云粗糙度是指散亂點云數據中散亂點到表面模型距離的標準中誤差,其中表面模型一般指局部表面模型,也可以通過連續窗口中坡度的變化來衡量。散亂點集η中點云數據粗糙程度的計算公式為

(2)

式中,g為點云數據粗糙程度;n為點云數據中的點個數;d為點到模型表面的距離。提升點云粗糙度,位移監測精度會隨之提升。利用三維空間格網對點云進行分割,在不同區域內建立表面模型,計算散亂點云數據中每個點到模型的正交距離,參考面方程表達式為

z=β0+β1x+β2y

(3)

式中,x,y和z為空間點坐標;β為參考面函數參數;確定平面后轉換所有數據的向量值,使得網格中所有的數據點基準面是相同的[7]。計算轉換后的向量投影到平面的法向量值,得到網格內的點到平面的正交距離后,計算點云的粗糙度公式為

(4)

2 實驗測試與分析

2.1 工程概況

熙江路擬建道路路幅寬為12 m,設計速度20 km/h。該道路全線進入軌道交通二號線大江～魚洞站高架區間軌道控制保護區范圍內。該道路位于軌道二號線高架區間北側,道路走向與軌道線路平行。熙江路對軌道交通的外部作業影響等級為一級。K0+013.800～K0+046.800段為路基挖方段,最大挖方高度約6l.7 m,邊坡采用樁板擋墻支護。K0+046.800～K0+115.300段為路基挖方段,最大挖方高度約3 m,邊坡采用重力式擋墻支護。K0+115.300～K0+170.550段為零填零挖段。K0+170.550～K0+233.600段為路基填方段,最大填方高度約1.9 m,邊坡采用1∶1.5自然放坡。K0+233.600～K0+418.400段為路基填方段,最大填方高度為6.3 m,邊坡采用樁板擋墻支護。K0+418.400～終點段除終點設置格構護坡,其余為零填零挖。熙江路邊坡安全等級為一級,采用抗滑樁+地基處理+重力式擋墻+坡率法放坡(格構植草護坡)+截排水工程進行綜合治理。

2.2 搭建實驗環境

在試驗區中,設定進行三次連續的三維掃描[10-11]。采集實驗區域所有數據,獲得墩柱點云數據。測站A設定坐標為X1=0.000 m,Y1=0.000 m,Z1=0.000 m。測站B設定坐標為X2=456.92 m,Y2=-475.21 m,Z2=35.23 m。將每次掃描的數據合成為一組數據。選用U-Bcm系列地面三維激光掃描儀。每次進行掃描工作時,要將掃描設備放置在固定的三腳支架上,隨后再完成對中改變,最后對掃描設備完成設置,將掃描頭瞄準需要掃描的橋墩位置。掃描設備通過電線連接到主機端,形成采集與掃描數據連接網。其中,掃描設備需要監測的項目及工作量如表1所示。

表1 監測項目及工作量

墩臺水平位移監測點布設在墩柱上,每個墩柱布設1個點。在距離二號線距離最近的3剖面所對應的8個墩柱進行自動化監測墩柱傾斜,每個墩柱布設1個自動化監測點。其中,既有軌道交通結構監測點布置斷面如圖1所示。

圖1 既有軌道監測斷面布置

由于實地試驗區域的氣候環境不佳,存在大量的粉塵顆粒,這樣就導致掃描設備發出的激光在較差的空氣環境中受到一定的影響。如果在試驗區中存在行駛車輛,在經過掃描區域時同樣也會產生一定的影響,使得實驗結果存在誤差。因此,需要進行噪聲消除處理。利用三維激光掃描儀對試驗區進行掃描工作時,設置橋墩反射裝置作為固定點,根據反射裝置靶心建立三維坐標,分析靶心中的移動趨勢來記錄其橋墩水平位移情況[12]。

2.3 測試結果與分析

設置三個小組,運用本文方法的小組為實驗組,運用文獻[2]提出的方法(對照組1)與文獻[3]提出的方法作為對照組。運用三維激光掃描位移設備進行位移監測時,根據第一個峰值的位置,對位置進行適當的調整使得結果實現時域統一。在頻域上,三維激光掃描位移設備采集數據頻率為110 Hz。當圖像的像素存在差異時傳輸圖像的速率也存在差異。設置圖像大小為1 080 pixel×640 pixel,獲取視頻的實際頻率為30.25 Hz。利用β-極差函數運算不同位移設備的數據使得結果實現統一頻域。人工監測得到的位移量標準范圍為2 mm以內。相關系數平方值R2的標準值為0.94,歸一化均方根誤差N的標準值為0.05。在試驗測量時間段內,不同小組的軌道交通橋梁水平位移監測的結果,具體如圖2所示。

圖2 監測位移對比圖

由實驗結果可知,三個小組對于橋墩水平位移自動化監測的趨勢存在差異。隨著時間的變化,實驗組的位移數值最貼近人工監測數值。說明本文方法與對照組方法相比,對于橋墩水平位移的自動化監控是可靠的。

設定R2和N為水平位移設備的相關性和精準度來判斷設備監測是否精準,其計算公式為

由結果可知,三維激光掃描技術監測位移的相關系數平方值最接近標準值,說明設備的相關性高,監測結果真實可靠。這是由于激光器具有高度的穩定性,它們發出的激光是極為穩定和一致的,應用三維激光掃描技術的測量方式可以消除物體表面的反射和散射對測量結果的影響,并通過對點云數據的計算,進一步提高了測量數據的精準度[13-14]。

同時,實驗組的歸一化均方根誤差小于0.05,誤差小說明設備的測量精準度高,能夠滿足具體應用要求。提升了設備對于水平位移自動化監測的性能,使得監測結果更加準確,具有較強的科學性價值。解決了自動化監測與影像傳輸中存在的問題,實現了較好的自動化監測[15]。

3 結束語

本文從軌道交通橋梁墩柱水平位移自動監測入手,通過三維激光掃描技術,探究了基于三維激光掃描的軌道交通橋梁墩柱水平位移自動監測方法。但是方法中還存在著不足,例如算法的更新問題,數據檢測的耗時性問題。今后應更加完善計算,運用三維激光掃描技術在監測中能夠提供高精度的實物掃描并及時得到測繪數據。預防產生安全隱患,提升工程項目的經濟效益,為工程項目提供嚴謹性資料,為決策方帶來對應的參數依據,完善對軌道交通橋梁墩柱水平位移自動監測的研究。