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摘 要：基于三维激光扫描技术应用到大跨径桥梁挠度变形测量。针对大跨径钢箱梁底部设置反射板，分析反射板点云与钢箱梁底部点云的特征，采用点云区段拟合计算方法和重心计算法提取相应中轴线节点，提出了三维激光扫描大跨径桥梁挠度变形监测的实施步骤。获取桥梁挠度变化，并进行对比分析，初步确定该方法可操作性，验证了该技术在大跨径桥梁挠度变形测量中的可行性。
关键词：三维激光扫描;反射板;区段拟合;点云重心;桥梁挠度
大跨径桥梁挠度测量是桥梁结构安全检测的重要组成部分，桥梁挠度的变化与桥梁的运营承载能力及抵御其外在动荷载的能力有密切关系。本文研究基于三维激光扫描数据的
大跨径挠度变形监测方法，用点云重心计算法和区段拟合计算方法提取反射板和钢箱梁挠度变形的几何信息，进而实现对大跨径桥梁挠度的监测[1-2]。
1 数据采集及实施步骤
1.1 扫描数据的采集
本次扫测是在桥面正常通行的情况下，天气状况良好。采用徕卡ScanStation P50地面三维激光扫描仪对钢箱梁底部进行扫描测量。为获得跨中点云数据的特征点，根据实
际现场设计制作增添反射板辅助设备，解决了跨中底部难以扫测的情况，利用反射板与钢箱梁底部的相对位置计算出挠度值。对于未设置反射板扫描的点云数据，通过人工获取特征点，将扫描仪坐标系转换到以南塔桥塔墩与桥面交点为坐标原点O、以平行于桥轴线为X轴方向、以平行于塔柱轴线作为Z轴方向、Y轴由右手法则确定的局部三维直角坐标系（图1）。
1.2 实施步骤
1.2.1 布设测站点
针对桥梁结构特点及实地扫测环境，在保证各测站点间有效点云的重叠[3-4]且全面扫测覆盖目标物的前提下，尽量少布设测站点。本次扫测采用了5处测站点。
1.2.2 反射板布设
受大跨径结构的影响，为保证钢箱梁跨中有效扫测，设计利于激光扫测反射辅助装置，采用0.5×0.5 m2黑白交叉的反射面（图2）。每个反射板安装于梁底检测小车导轨工字钢上翼缘板内侧。反射板的设置位置选取为南北两跨中部约600 m的箱梁梁底，数量为每跨布置40个反射板，沿纵桥向布置。
1.2.3 数据的采集
本次测试用高程与原有桥梁测量控制网高程统一，即通过采用每个桥塔处承台上已有的已知高程的4个点（高程点）完成测试。根据被扫描对象的特征，设置适合的扫描参数，优化扫描结果。由于该桥主跨長达1 080 m，而单次需扫描的反射板位于靠近测站的半跨以内，所以需将徕卡P50设置为570 m模式，以实现对反射板的完整扫描，并最终获取准确的主跨线形。
1.2.4 数据的处理
采用徕卡cyclone软件对点云数据进行处理，处理软件提供了多种功能和工具，包括点云查看（图3）、点云拼接与预处理、点云建模、测量工具等，可实现点云数据获取、可视化、点云数据建模、空间形态分析、基于点云获得传统测量成果等应用。
2 变形数据提取方法
2.1 基于区段拟合的挠度测量计算
在桥面变形监测中，变形点云数据特征点信息的提取是关键。本文思路：①对桥面钢箱梁整体或塔柱局部进行三维激光扫描，确定合适的基准面，并取相应的厚度和间距进行横断面切片处理，提取断面点云中心;②通过对多期桥面扫描数据中相同位置处的断面中心进行坐标比较，提取相应的变形信息。
本文采用了区段拟合法。钢箱梁底部扫测点云数据处理的主要思路是将该断面切片点云按照一定的规则划分为若干区段，分别拟合获取各区段点云中心，再由各区段点云中心拟合得到该断面中心[1]。具体步骤如下：
（1）假设中心点，建立三维坐标系。将断面点云投影于YOZ平面，对点云进行重心拟合，计算得到断面假中心点O'，以O'为原点建立极坐标系。
（2）截取区段点云。以角度α进行截取，按顺时针方向截取（0，α），（α，2α），...，（nα-α，nα）各区段内点云，其中n=360°/α。
（3）获取区段点云中心。设置阈值q，若某区段内点云数量P m（m∈N，1≤m≤n）大于q，则重心拟合获取该区段中心Om;若Pm小于阈值q，说明该处点n云存在空洞，则由相邻区段Om-1、Om+1中心拟合得到该区段中心，Om=（Om-1+Om+1）/2。
（4）获取断面点云中心。对n个区段中心进行重心拟合，得到该横断面点云的中心O，O=（O1+O2+...+On）/n。
2.2 基于重心法的挠度测量计算
重心法计算的基本原理根据被测物体的表面特征是将具有一定特征的小块点云进行人工或者自动（如依照法线方向或者曲率变化）分割出特征小块的边界，过滤后得到特征小块点云，将每块特征点云的坐标取平均得重心坐标[2，5]。如果将每块特征点云看成是一个监测点，则该重心坐标即为监测点坐标。采用相同方式，得到不同期的监测点坐标，进而得到监测点的位移[2]。针对跨中难以扫测的钢箱梁底部采用反射板点云数据使用重心法计算监测点坐标进行替代换算。
首先确定一条过反射板轴线的垂直平面，设为y=yN，将反射板两侧0.25 m范围内的点云沿着平面法线方向投影到y=yN平面上，以此作为反射板的特征小块点云，进而代算该区段钢箱梁挠度变化的监测点。计算其重心坐标：
（1）
式中（xi，zi）（i=1，2，....n）为投影后的点云坐标，（xp，yp，zp）为投影后的点云数据重心坐标。
3 实验扫测分析
本次采用徕卡ScanStation P50地面三维激光扫描仪对桥面挠度变形进行扫测试验。被测目标桥为三塔两跨悬索桥，单跨径长1 080 m，桥面宽38.5 m的扁平流线型钢箱梁，分别在南塔、中塔、北塔架设激光扫描仪，分别采集了位于塔柱承台下4个高程控制点作为点云配准和断面基准。 3.1 扫测数据处理
导出激光扫描数据，利用软件拼接点云数据，注册桥梁结构三维模型，提取所需数据。采用专用软件对点云数据进行处理，包括点云查看、点云拼接与预处理、点云建模、测量工具等，可实现点云数据获取、可视化、点云数据建模、空间形态分析、基于点云获得传统测量成果等应用[6]。使用徕卡Cyclone点云极速处理软件进行自动去噪，自动拼接，自动建模并同时对各测站点云进行配准[7]，得到的反射板点云如图4所示。
3.2 变形数据的提取与分析处理
将扫描数据坐标统一到原有高程坐标系中，利用表2019年测得的承台高程点数据利用软件实现坐标的转换，完成高程的转换。
3.2.1 无反射板的梁底高程提取
采用区段拟合法直接在桥面钢箱梁点云模型中提取桥轴线与梁底的交点便是梁底高程。注意保证选取点的横向位置与反射板对应的梁底横向位置相同。
3.2.2 有反射板的梁底高程提取
由软件处理反射板点云得到其点云重心坐标，沿反射板切线方向加上反射板监测点的重心坐标至桥轴线与梁底交点的距离便是梁底高程。
表2给出了本次测试距离测量误差对比情况。表中数据看出，反射板安装时现场测得的距离与点云模型中得到的反射板中心与梁底距离相差很小，则梁底的高程由点云模型中得到的反射板中心加上安装反射板测得的其中心点至梁底的距离得到是可行的。
3.2.3 桥面线形高程对比分析
图5分别给出了此次激光实测梁底高程数据与2018年和2019年采集的桥面线形数据成果对比分析图。由于本次反射板分别设置在南跨下游和北跨上游的检查小车轨道，故激光扫测的数据分别为南跨下游、北跨上游的鋼箱梁底部高程。
4 结语
本次扫测试验与计算高程数据表明，三维激光扫描结合梁底安装反射板的测试方案，能完整地测试得到全桥钢箱主梁的线形。测试得到的主梁线形整体上较平顺，对称性较好，测试得到的主梁线形与2018年、2019年采用传统测量的主梁线形趋势基本吻合。从图5主梁线形图看出，在可变荷载作用下，桥梁南、北跨跨中段发生了较大数值的变形，局部线性出现波状形态。采用增设跨中反射装置和点云数据处理方法，有效解决大跨径桥梁跨中桥面线性难以被扫测的问题，验证了三维激光扫描技术在大跨径桥梁变形监测中的可行性。因此，充分利用地面三维激光扫描测量技术所具有的长距离、非接触、测量时间短、受桥面车辆、温变影响相对较小的优势，可快速、准确、全面地获得桥梁几何形态和变形信息，为桥梁的结构线形安全状态分析提供科学依据。
针对本次扫测，由于受到地理环境限制，仅采集了控制点的高程数据，未能对桥面空间变形进行评估分析;三维激光扫描对整跨桥梁仅扫测一组数据，缺乏对不同时刻同一监测点的点云数据处理;在点云处理时，需要依据监测表面情况采取有针对性的数据处理方法，完善三维激光扫描监测桥梁挠度变形的方法。
参考文献：
[1]唐琨，戴鑫，黄祖登.基于三维激光扫描的隧道变形监测方法研究[J].地理空间信息，2016，14（4）：97-98+101+12.
[2]徐进军，郭鑫伟，廖骅，等.基于地面三维激光扫描的桥梁挠度变形测量[J].大地测量与地球动力学，2017，37（6）：609-613.
[3]吴侃，黄承亮，陈冉丽.三维激光扫描技术在建筑物变形监测的应用[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2011，30（2）：205-208.
[4]苏晓蓓，郝刚.地面三维激光扫描标靶中心识别算法研究[J].城市勘测，2010（3）：68-70+76.
[5]徐进军，王海城，罗喻真，等.基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理[J].岩土力学，2010，31（7）：2188-2191+2196.
[6]邓晓隆.基于三维激光扫描的桥梁结构变形检测及数据分析[D].苏州科技大学，2018.
[7]卢颖.基于三维激光扫描的桥梁检测技术应用研究[D].吉林大学，2017.
关键词：三维激光扫描;反射板;区段拟合;点云重心;桥梁挠度
大跨径桥梁挠度测量是桥梁结构安全检测的重要组成部分，桥梁挠度的变化与桥梁的运营承载能力及抵御其外在动荷载的能力有密切关系。本文研究基于三维激光扫描数据的
大跨径挠度变形监测方法，用点云重心计算法和区段拟合计算方法提取反射板和钢箱梁挠度变形的几何信息，进而实现对大跨径桥梁挠度的监测[1-2]。
1 数据采集及实施步骤
1.1 扫描数据的采集
本次扫测是在桥面正常通行的情况下，天气状况良好。采用徕卡ScanStation P50地面三维激光扫描仪对钢箱梁底部进行扫描测量。为获得跨中点云数据的特征点，根据实
际现场设计制作增添反射板辅助设备，解决了跨中底部难以扫测的情况，利用反射板与钢箱梁底部的相对位置计算出挠度值。对于未设置反射板扫描的点云数据，通过人工获取特征点，将扫描仪坐标系转换到以南塔桥塔墩与桥面交点为坐标原点O、以平行于桥轴线为X轴方向、以平行于塔柱轴线作为Z轴方向、Y轴由右手法则确定的局部三维直角坐标系（图1）。
1.2 实施步骤
1.2.1 布设测站点
针对桥梁结构特点及实地扫测环境，在保证各测站点间有效点云的重叠[3-4]且全面扫测覆盖目标物的前提下，尽量少布设测站点。本次扫测采用了5处测站点。
1.2.2 反射板布设
受大跨径结构的影响，为保证钢箱梁跨中有效扫测，设计利于激光扫测反射辅助装置，采用0.5×0.5 m2黑白交叉的反射面（图2）。每个反射板安装于梁底检测小车导轨工字钢上翼缘板内侧。反射板的设置位置选取为南北两跨中部约600 m的箱梁梁底，数量为每跨布置40个反射板，沿纵桥向布置。
1.2.3 数据的采集
本次测试用高程与原有桥梁测量控制网高程统一，即通过采用每个桥塔处承台上已有的已知高程的4个点（高程点）完成测试。根据被扫描对象的特征，设置适合的扫描参数，优化扫描结果。由于该桥主跨長达1 080 m，而单次需扫描的反射板位于靠近测站的半跨以内，所以需将徕卡P50设置为570 m模式，以实现对反射板的完整扫描，并最终获取准确的主跨线形。
1.2.4 数据的处理
采用徕卡cyclone软件对点云数据进行处理，处理软件提供了多种功能和工具，包括点云查看（图3）、点云拼接与预处理、点云建模、测量工具等，可实现点云数据获取、可视化、点云数据建模、空间形态分析、基于点云获得传统测量成果等应用。
2 变形数据提取方法
2.1 基于区段拟合的挠度测量计算
在桥面变形监测中，变形点云数据特征点信息的提取是关键。本文思路：①对桥面钢箱梁整体或塔柱局部进行三维激光扫描，确定合适的基准面，并取相应的厚度和间距进行横断面切片处理，提取断面点云中心;②通过对多期桥面扫描数据中相同位置处的断面中心进行坐标比较，提取相应的变形信息。
本文采用了区段拟合法。钢箱梁底部扫测点云数据处理的主要思路是将该断面切片点云按照一定的规则划分为若干区段，分别拟合获取各区段点云中心，再由各区段点云中心拟合得到该断面中心[1]。具体步骤如下：
（1）假设中心点，建立三维坐标系。将断面点云投影于YOZ平面，对点云进行重心拟合，计算得到断面假中心点O'，以O'为原点建立极坐标系。
（2）截取区段点云。以角度α进行截取，按顺时针方向截取（0，α），（α，2α），...，（nα-α，nα）各区段内点云，其中n=360°/α。
（3）获取区段点云中心。设置阈值q，若某区段内点云数量P m（m∈N，1≤m≤n）大于q，则重心拟合获取该区段中心Om;若Pm小于阈值q，说明该处点n云存在空洞，则由相邻区段Om-1、Om+1中心拟合得到该区段中心，Om=（Om-1+Om+1）/2。
（4）获取断面点云中心。对n个区段中心进行重心拟合，得到该横断面点云的中心O，O=（O1+O2+...+On）/n。
2.2 基于重心法的挠度测量计算
重心法计算的基本原理根据被测物体的表面特征是将具有一定特征的小块点云进行人工或者自动（如依照法线方向或者曲率变化）分割出特征小块的边界，过滤后得到特征小块点云，将每块特征点云的坐标取平均得重心坐标[2，5]。如果将每块特征点云看成是一个监测点，则该重心坐标即为监测点坐标。采用相同方式，得到不同期的监测点坐标，进而得到监测点的位移[2]。针对跨中难以扫测的钢箱梁底部采用反射板点云数据使用重心法计算监测点坐标进行替代换算。
首先确定一条过反射板轴线的垂直平面，设为y=yN，将反射板两侧0.25 m范围内的点云沿着平面法线方向投影到y=yN平面上，以此作为反射板的特征小块点云，进而代算该区段钢箱梁挠度变化的监测点。计算其重心坐标：
（1）
式中（xi，zi）（i=1，2，....n）为投影后的点云坐标，（xp，yp，zp）为投影后的点云数据重心坐标。
3 实验扫测分析
本次采用徕卡ScanStation P50地面三维激光扫描仪对桥面挠度变形进行扫测试验。被测目标桥为三塔两跨悬索桥，单跨径长1 080 m，桥面宽38.5 m的扁平流线型钢箱梁，分别在南塔、中塔、北塔架设激光扫描仪，分别采集了位于塔柱承台下4个高程控制点作为点云配准和断面基准。 3.1 扫测数据处理
导出激光扫描数据，利用软件拼接点云数据，注册桥梁结构三维模型，提取所需数据。采用专用软件对点云数据进行处理，包括点云查看、点云拼接与预处理、点云建模、测量工具等，可实现点云数据获取、可视化、点云数据建模、空间形态分析、基于点云获得传统测量成果等应用[6]。使用徕卡Cyclone点云极速处理软件进行自动去噪，自动拼接，自动建模并同时对各测站点云进行配准[7]，得到的反射板点云如图4所示。
3.2 变形数据的提取与分析处理
将扫描数据坐标统一到原有高程坐标系中，利用表2019年测得的承台高程点数据利用软件实现坐标的转换，完成高程的转换。
3.2.1 无反射板的梁底高程提取
采用区段拟合法直接在桥面钢箱梁点云模型中提取桥轴线与梁底的交点便是梁底高程。注意保证选取点的横向位置与反射板对应的梁底横向位置相同。
3.2.2 有反射板的梁底高程提取
由软件处理反射板点云得到其点云重心坐标，沿反射板切线方向加上反射板监测点的重心坐标至桥轴线与梁底交点的距离便是梁底高程。
表2给出了本次测试距离测量误差对比情况。表中数据看出，反射板安装时现场测得的距离与点云模型中得到的反射板中心与梁底距离相差很小，则梁底的高程由点云模型中得到的反射板中心加上安装反射板测得的其中心点至梁底的距离得到是可行的。
3.2.3 桥面线形高程对比分析
图5分别给出了此次激光实测梁底高程数据与2018年和2019年采集的桥面线形数据成果对比分析图。由于本次反射板分别设置在南跨下游和北跨上游的检查小车轨道，故激光扫测的数据分别为南跨下游、北跨上游的鋼箱梁底部高程。
4 结语
本次扫测试验与计算高程数据表明，三维激光扫描结合梁底安装反射板的测试方案，能完整地测试得到全桥钢箱主梁的线形。测试得到的主梁线形整体上较平顺，对称性较好，测试得到的主梁线形与2018年、2019年采用传统测量的主梁线形趋势基本吻合。从图5主梁线形图看出，在可变荷载作用下，桥梁南、北跨跨中段发生了较大数值的变形，局部线性出现波状形态。采用增设跨中反射装置和点云数据处理方法，有效解决大跨径桥梁跨中桥面线性难以被扫测的问题，验证了三维激光扫描技术在大跨径桥梁变形监测中的可行性。因此，充分利用地面三维激光扫描测量技术所具有的长距离、非接触、测量时间短、受桥面车辆、温变影响相对较小的优势，可快速、准确、全面地获得桥梁几何形态和变形信息，为桥梁的结构线形安全状态分析提供科学依据。
针对本次扫测，由于受到地理环境限制，仅采集了控制点的高程数据，未能对桥面空间变形进行评估分析;三维激光扫描对整跨桥梁仅扫测一组数据，缺乏对不同时刻同一监测点的点云数据处理;在点云处理时，需要依据监测表面情况采取有针对性的数据处理方法，完善三维激光扫描监测桥梁挠度变形的方法。
参考文献：
[1]唐琨，戴鑫，黄祖登.基于三维激光扫描的隧道变形监测方法研究[J].地理空间信息，2016，14（4）：97-98+101+12.
[2]徐进军，郭鑫伟，廖骅，等.基于地面三维激光扫描的桥梁挠度变形测量[J].大地测量与地球动力学，2017，37（6）：609-613.
[3]吴侃，黄承亮，陈冉丽.三维激光扫描技术在建筑物变形监测的应用[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2011，30（2）：205-208.
[4]苏晓蓓，郝刚.地面三维激光扫描标靶中心识别算法研究[J].城市勘测，2010（3）：68-70+76.
[5]徐进军，王海城，罗喻真，等.基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理[J].岩土力学，2010，31（7）：2188-2191+2196.
[6]邓晓隆.基于三维激光扫描的桥梁结构变形检测及数据分析[D].苏州科技大学，2018.
[7]卢颖.基于三维激光扫描的桥梁检测技术应用研究[D].吉林大学，2017.