關鍵詞：三維激光,道路橋梁,變形測量方法研究
1.引言
橋梁變形可分為靜態和動態兩種。前者是指變形觀測的結果只表示在某一期間內的變形值;后者指在外力影響下產生的變形，它是以外力為函數來表示的動態系統，觀測結果表示橋梁在某個時刻的瞬時變形。
橋梁變形產生的原因很多，橋墩臺地基的水文地質、工程地質、土壤的物理性質、水位變化、大氣溫度、地震等都會導致橋墩臺不均勻沉陷，使橋跨結構傾斜;土基的塑性變形也會引起均勻沉陷;臺風、車載以及超期服役、腐蝕、疲勞、車、船的沖擊、碰撞和爆炸等許多不定時或不可確定的危害性事件也是其中原因。墩臺與梁的結構、型式;作用在橋梁上部結構的恒載與作用墩臺的恒載;活載的作用(如車輛通過時的震動、風力等)。勘測、設計的不合理;沒有按照相關標準和規定規范施工;運營、管理工作的不恰當等也會使橋梁產生變形。
道路橋梁在施工過程和使用期間，由于上述各種原因的存在，橋梁肯定會出現變形，如果這種變形超過規定允許的限度，就會影響正常運營，嚴重時還會危及橋梁的安全壽命。因此，查明橋梁變形的原因并對其進行變形測量是十分必要的。
2.橋梁變形傳統測量方法
垂直位移觀測采用的是精密水準測量法和精密跨河水準測量法;在橫向位移觀測中，遇到直線橋梁則應按照基準線法觀測(如測小角法和活硯牌法)，如果是曲線橋梁，就需要利用導線測量方法;縱向位移觀測通常采用的是最精密的光電測距儀(如橋跨距較短)，用特制的鋼線尺來測定兩相鄰橋墩之間的跨距變化;橋跨結構的恒載和活載撓度觀測主要采用四等水準測量。
此方法靈活性高，適用于各種結構形式的橋梁和不同的外界條件以及精度要求;把觀測組成了網狀，便于進行測量結果的處理和精度評定;可以提供橋墩臺和橋跨結構的變形狀態。但是，此方法外業工作量大，作業時間長，連續監測及測量過程的自動化問題也不容易解決。
3.利用三維激光掃描儀測量橋梁變形
三維激光掃描技術是一項高新技術，是一種利用激光測距原理(包括脈沖激光和相位激光)，瞬時測得空間三維坐標值的測量儀器，利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數據，可快速建立結構復雜、不規則的場景的三維可視化模型，既省時又省力。
激光三維掃描技術是將激光測距技術、激光跟蹤技術、激光測速技術、激光成像技術等多種激光測量技術有機地結合在一起構成的激光三維成像掃描儀和系統軟件組成的綜合測量系統。激光三維掃描技術能夠快速、高精度、非接觸、直接獲取研究對象表面空間三維數據，其獨特的空間數據采集方式使其具有多方面的技術優勢。
3. 1 三維激光掃描測量技術的特點
在目前各種測量手段和方法之中，相比之下，三維激光掃描技術來進行地質測量具有獨特的優勢，它能夠完整并高精度地重建掃描實物，快速獲得原始測繪數據;可以真正從實物中進行快速的逆向三維數據采集及模型重構，無需進行任何實物表面處理，其激光點云中的每個三維數據都是直接采集目標的真實數據，使得后期處理的數據完全真實可靠，具有精度高、速度快、逼近原形等優點。該技術歸納起來具有如下一些特點：
(1)非接觸測量
三維激光掃描技術采用非接觸掃描目標的方式進行測量，無需反射棱鏡，對掃描目標物體不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數據，所采集的數據完全真實可靠。可以用于解決危險目標、環境(或柔性目標)及人員難以企及的情況，具有傳統測量方式難以完成的技術優勢。
(2) 數據采樣率高
目前，采用脈沖激光或時間激光的三維激光掃描儀采樣點速率可達到數萬點/秒，而采用相位激光方法測量的三維激光掃描儀甚至可以達到數十萬點/秒。可見采樣速率是傳統測量方式難以比擬的。
(3) 主動發射掃描光源
三維激光掃描技術采用主動發射掃描光源(激光)，通過探測自身發射的激光回波信號來獲取目標物體數據信息，因此掃描過程中，可以實現不受掃描環境的時間和空間的約束。
(4) 高分辨率、高精度
三維激光掃描測量技術可以對掃描目標進行高密度的三維數據采集，從而達到高分辨率的目的，對于單點測量精度也完全滿足一般測量需求。
(5) 數字化采集，兼容性好
三維激光掃描技術所采集的數據是直接獲取的數字信號，具有全數字特征，易于后期處理及輸出。用戶界面友好的后處理軟件能夠與其他常用軟件進行數據交換及共享。
3.2 surphaser三維激光掃描儀工作原理
Surphaser 三維激光掃描儀是按照美國軍方標準嚴格設計和生產的測繪產品，廣泛用于工業測量、考古和文物保護、工程測繪和科學研究，從帕特農神廟的數字化保護到NASA空間站及飛行器的測量，Surphaser 充分體現了快速、高精度的特點，是最新三維激光測量技術的體現。
其具有以下特點：
(1)最高掃描速度(120萬點每秒)與高精度(0.3毫米精度)和優秀的掃描品質(0.07毫米噪音)的結合。
(2)涵蓋從0.2米到140米的掃描范圍
(3)超低噪音數據和亞毫米的精度
(4)高掃描密度，質量相當于100M像素數碼照片
(5)防塵防水設計，可輕松工作在室內或室外環境
(6)高質量、精確的掃描數據可以導出為多種格式，用于常用點云后處理軟件(Polyworks，Realworks Survey，Leica Cyclone，Geomagic等)
3.3數據處理
SurphExpressStandard是Surphaser三維激光掃描儀的專有平臺，可以對掃描儀進行實時控制。
(1) 對掃描儀硬件自診斷和自動校正
(2) 對掃描儀實時控制
(3) 進行原始數據的采集和實時壓縮
(4)實時數據分析和掃描質量控制
(5) 快速度預覽掃描
(6) 用戶可自由設置掃描區域以提高工作效率
(7) 多種掃描模式及掃描密度的設計可以勝任更多的掃描項目
(8) 掃描完成數據可以導出多種格式，方便用戶導入適合自己的軟件進行后期處理。
(9) 獨有的視圖窗口可以對掃描的數據以二維和三維的方式進行查看。
(10) 平臺自帶的數據過濾器可以過孤立有用數據去除不可靠數據，以保證數據的可靠性。
4變形監測應用
對于既有道路橋梁來說，由于橋梁墩臺較高，利用傳統的測量方法，比如在橋梁幾處認為受力和變形大的地方貼應變片，通過位移來獲得橋梁的變形，但這僅僅能反應這幾點處的變形情況，很不全面，每一點的測量費時都在2-5秒不等，更甚者，要花幾分鐘的時間對一點的坐標進行測量，在數字化的今天，這樣的測量速度已經不能滿足測量的需求，而且不能完全反映整個橋梁的實際變形情況，我們采用Surphaser三維激光掃描儀可以獲得最直接最直觀的圖像信息，同時也獲得了相對應的變形數據，具有很好的實際應用前景。
我們通過對國道312線某橋梁進行了實地檢測，應用效果較好，圖像清晰，數據完整，對橋梁的三維變形情況有了更好地掌握。
5結論
文中提出采用三位激光掃描儀對既有的道路橋梁變形情況進行三維掃描測量，這是一種全新的方式，具有較好的應用前景，獲得的數據量大，對橋梁變形的測量更全面，同時因為其具有采集圖像的功能，直觀性很強，可以對橋梁的實際情況把握性更強，方便我們對橋梁的加固維修，作出更有效的判斷，但是其也有一定的局限性，三維激光掃描技術是一個新生事物,其技術上還有很多地方需要改進和提高,如①受到安全激光功率的局限,掃描距離和范圍有限;②特定材料對激光光源反射不夠敏感,造成掃描范圍內出現盲區，如潮濕的地表和綠色植被對掃描結果都有較大的影響;③掃描激光光斑隨距離的增加而變大，造成掃描結果中物體邊緣細節難以識別;④三維處理軟件功能有待進一步完善。比如當橋梁位于水中的時候，就比較困難，但總的來說，利用三維激光掃描儀進行橋梁的變形監測具有較廣的應用前景，有一定的研究價值。
參考文獻：
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