本发明专利技术公开了基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法及系统，涉及桥体养护检测领域，本发明专利技术通过三维激光+多波束水下扫描的检测成果分析能定性和定量的分析山区高速深水区、高烈度区的桥梁高墩结构的水面以上墩身、水下墩身的变形、位移及竖直度，河床处墩桩结合部的缺损和冲刷情况，评价桥梁下部结构技术状况。克服了水下结构的变形状况（竖直度）和墩桩结合的河床处的冲刷及结构缺损状况等检测盲区结构的技术状况及性能是否存在不安全的的困扰，为制定针对性养护对策科学决策提供了有利的依据，保障高速公路桥梁的运营安全。保障高速公路桥梁的运营安全。保障高速公路桥梁的运营安全。
【技术实现步骤摘要】
基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法及系统
[0001]本专利技术涉及桥体养护检测领域，具体是基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法及系统。
技术介绍
[0002]随着我国桥梁建造技术的不断提高，大跨径跨江、跨河的桥梁数量增多，对于这些桥梁的后期养护检测中存在桥梁下部结构变形（全高竖直度）、位移、墩桩结合部缺损（缩径）、河床冲刷等状况不明，难以准确判定桥梁结构状况。亟需寻找有效检测手段查明桥梁下部结构水面以上及水面以下墩身全高的变形、位移、河床处墩桩结合部的缺损和河床冲刷情况，进而评价桥梁下部结构技术状况。
[0003]同时，三维激光和多波束水下扫描可对我国上世纪90年左右建设的跨江、跨河的桥梁竣工图纸缺失的情况可以通过此项扫描技术绘制和恢复桥梁结构尺寸及图纸，为今后日常巡查、经常检查、养护定期检查、特殊检查及承载能力评估提供基础数据。
[0004]再者，桥梁结构状况是一个动态的变化过程，受施工质量、环境、汽车荷载、地震等作用的影响发生变化。早期出现的结构病害如果发现及时，可采用合适有效的防治措施，避免造成更大的损失，而桥梁基准比对数据的建立是早期发现问题的最有效手段。因此，通过三维激光和多波束速水下扫描技术，再由统一的坐标系转换后并通过点云数据平面拟合方法拟合形成各结构成面拼接成立体三维结构图，作为后续养护的基准。当结构变形超过规定的限度，就会影响正常运营，而严重时还会危及桥梁的安全寿命。
技术实现思路
[0005]本专利技术提供基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法及系统，旨在提供一种有效手段查明下部结构水面以上墩身、水下墩身的变形、位移及竖直度，河床处墩桩结合部的缺损和冲刷情况。其中：基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法，包括以下步骤：S1. 通过全站仪式影像三维激光扫描对桥梁下部的水上结构的墩身变形状况进行扫描；S2. 通过多波束水下扫描成像对水下结构和河床断面进行扫描；S3. 建立项目坐标，对全站仪式影像三维激光扫描结果和多波束水下扫描成像扫描结果进行坐标统一；S4. 通过点云数据平面拟合方法拟合形成各结构成面拼接成立体三维结构图，该立体三维结构图作为评定标准，根据点云数据平面拟合方法测得的偏移量及测量的高差计算分析出竖直度的百分比；S5. 根据评定标准结合偏移量对桥体进行评价。
[0006]进一步的，所述步骤S2，具体包括以下子步骤：S201. 接收换能器根据发射换能器发射的波束，通过密集采样进行相位测量，并
确定回波反射角；S202. 接收换能器通过测量每个Ping的声波往返播时间计算水深值；S203. 发射换能器发出声波遇到水底后被接收换能器接收，根据回波到达换能器的时间不同，对回波的相位差进行测量记录，并利用相干法计算回波角度；S204. 根据条带覆盖获得区域内的平面位置和计算得到的水深值，进行水下成像。
[0007]进一步的，所述步骤S204中，水深值具体计算流程如下：
[0008][0009][0010]其中，所述表示水深值，所述表示波长，所述表示相位差，所述表示回波角度，所述表示接收换能器和发射换能器之间的距离，所述表示回波到达换能接收器的时间，所述表示水中声速，表示回波的往返距离。
[0011]进一步的，所述步骤S3中，建立项目的具体流程为：采用GPS CGC2000建立项目坐标系统，分别建立6个控制点，分别设置于桥体两岸各两个、桥体中部左右两侧各一个。
[0012]进一步的，所述步骤S4中，还包括对多波束原始数据进行数据处理，包括以下子步骤：S401. 将不同的原始数据转换为caris识别格式；S402. 根据作业现场的情况对声速剖面数据进行采集，将声速剖面数据文件导入测线文件，当数据合并时通过caris对水深进行改正；S403. 通过RTK进行潮位计算，再根据计算得到的RTK潮位数据对测量的水深值进行改正；S404. 对数据分别进行进行横摇矫正、纵摇矫正、艏向矫正和误差分析。
[0013]进一步的，基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测系统，该系统包括全站仪式影像三维激光扫描子系统和多波束水下扫描成像子系统，其中：所述系统根据全站仪式影像三维激光扫描子系统对桥梁下部结构的墩身变形状况进行检测；所述系统根据多波束水下扫描成像子系统对水下结构和河床断面进行检测；其中，所述系统根据全站仪记录三维点云数据，通过TBC进行统一坐标，并对桥墩下部结构墩身的变形状况进行分析；所述系统通过发射换能器阵列向水下河床发射宽扇形覆盖声波，接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，并通过发射和接收的扇形区指向的正交性形成对水下结构物及河床地形的照射脚印；所述系统对照射脚印处理，并对水下结构物及河床地形的垂直面内的水下被测点的水深值和结构物的距离值进行计算。
[0014]进一步的，所述全站仪式影像三维激光扫描子系统还包括有项目坐标子系统，所述项目坐标子系统对大地坐标转换为现场大地坐标系，将多个测点进行平均计算得出结构
物上下两点的偏移量，根据所测偏移量及测量的高差计算分析出竖直度的百分比。
[0015]进一步的，所述多波束水下扫描成像子系统对的接收换能器根据发射换能器发射的波束，通过密集采样进行相位测量，并确定回波反射角，所述接收换能器通过测量每个Ping的声波往返播时间计算水深值，其中，所述水深值具体计算流程如下：
[0016][0017][0018]其中，所述表示水深值，所述表示波长，所述表示相位差，所述表示回波角度，所述表示接收换能器和发射换能器之间的距离，所述表示回波到达换能接收器的时间，所述表示水中声速，表示回波的往返距离。
[0019]本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术采用创新性的检测方法，通过三维激光+多波束水下扫描的检测成果分析能定性和定量的分析山区高速深水区、高烈度区的桥梁高墩结构的水面以上墩身、水下墩身的变形、位移及竖直度，河床处墩桩结合部的缺损和冲刷情况，评价桥梁下部结构技术状况。克服了水下结构的变形状况（竖直度）和墩桩结合的河床处的冲刷及结构缺损状况等检测盲区结构的技术状况及性能是否存在不安全的的困扰，为制定针对性养护对策科学决策提供了有利的依据，保障高速公路桥梁的运营安全；（2）本专利技术采用全站式影像三维激光扫描技术，从传统单点测量到面测量检测桥梁墩柱竖直度，经过数据处理，显著提高了检测精度，解决了传统单点测量方法在桥梁结构通车运营后受测站和测距影响下无法测得下部结构的墩身的的变形、位移及竖直度等状况，实施效果良好；（3）本专利技术采用多波束水下扫描技术，实现了对水下结构物和河床断面形状的高精度和高密度测量，解决了山区高速深水区、高烈度区的桥梁水下结构的变形状况(竖直度)和墩桩结合的河床处的冲刷及结构缺损状况，便于准确的判断桥梁下部结构的技术状况，为桥梁养护做出科学的决策。
附图说明
[0020]图1为本专利技术提出的基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法的方法流程图；图2为本专利技术提出的基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法中船体坐标系示意图。
具体实施方式
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1. 通过全站仪式影像三维激光扫描对桥梁下部的水上结构的墩身变形状况进行扫描；S2. 通过多波束水下扫描成像对水下结构和河床断面进行扫描；S3. 建立项目坐标，对全站仪式影像三维激光扫描结果和多波束水下扫描成像扫描结果进行坐标统一；S4. 通过点云数据平面拟合方法拟合形成各结构成面拼接成立体三维结构图，该立体三维结构图作为评定标准，根据点云数据平面拟合方法测得的偏移量及测量的高差计算分析出竖直度的百分比；S5. 根据评定标准结合偏移量对桥体进行评价。2.如权利要求1所述的基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括以下子步骤：S201. 接收换能器根据发射换能器发射的波束，通过密集采样进行相位测量，并确定回波反射角；S202. 接收换能器通过测量每个Ping的声波往返播时间计算水深值；S203. 发射换能器发出声波遇到水底后被接收换能器接收，根据回波到达换能器的时间不同，对回波的相位差 进行测量记录，并利用相干法计算回波角度；S204. 根据条带覆盖获得区域内的平面位置和计算得到的水深值，进行水下成像。3.如权利要求2所述的基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法，其特征在于，所述步骤S204中，水深值具体计算流程如下：；；；其中，所述表示水深值，所述表示波长，所述表示相位差，所述表示回波角度，所述表示接收换能器和发射换能器之间的距离，所述表示回波到达换能接收器的时间，所述表示水中声速，表示回波的往返距离。4.如权利要求1所述的基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，建立项目的具体流程为：采用GPS CGC2000建立项目坐标系统，分别建立6个控制点，分别设置于桥体两岸各两个、桥体中部左右两侧各一个。5.如权利要求1所述的基于三维激光和多波束水下扫描的桥体检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，还包括对多波束原始数据进行数据处理，包括以下子步骤：S401. 将不同的原始数据转换为caris识别格式；S402. 根据作业现场的情况对声速剖...
【专利技术属性】
技术研发人员：何小林，李平，付浩杰，吉军强，李本伟，宋恒扬，肖德仁，石伟，龚星荣，刘培，
申请(专利权)人：四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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