結構或建築物在沒有進行整修、改造或翻新的情況下，幾乎不可能熬過其全壽命周期，這些整修、改造或翻新工作可以小到油漆粉刷，大到增添新構造。此外，橋梁等重要的公共基礎設施或重要結構，需要每隔一段時間進行重新評估和檢查。對於此類任務，工程師需核查這些結構的原始施工圖，以獲取這些結構的承載能力和其他有價值的細節信息。如今的施工圖，附帶有三維模型，這也是建築信息模型(BIM)的關鍵概念之一。雖然BIM目前正處於發展階段，且正在逐漸融入到新項目中，但對現有結構而言，BIM技術仍具有不確定性,這就像是企業擁有一座生產力不斷提高的工廠，工廠外部建築與廠內新機器設備相輔相成，工廠外部建築的改造有可能事關這家企業的生死存亡；另一種可改進中央數字模型的例子是對橋梁進行常規檢查。在所有現有結構被BIM創造的新結構取代之前，我們需要找到有能力應對當下數位化轉型的解決方案。
結構測量的常見方法
目前，行業內已經出現了多種結構掃描法，如用無人機檢查橋梁下部結構的裂縫，或通過攝影測量法進行模型分析以完成結構檢查。本文將介紹兩種方法：地面雷射掃描（TLS）和攝影測量法。這兩者在測繪學及遙感控制方面較為常見，常被用於建築工地的結構測量中。為達到測繪目的，以考古遺址為例，採用這兩種方法可獲取遺址的布局圖和改造圖。
地面雷射掃描（TLS）
第一批雷射掃描儀是在20世紀末開發的，商業雷射掃描儀在20世紀90年代末期投入使用，如CYRA2500或LMS-Z210。一般來說，雷射掃描所體現的思路是通過控制雷射束的偏轉來捕捉實景。地面雷射掃描儀採用極地測量系統，通過測量角度和距離產生點雲。在通常情況下，水平旋轉鏡使雷射束偏轉，導致雷射束碰撞點的垂直位置有所差異。儀器軸的第二次旋轉涉及整個測量系統，使水平衝擊位置有所不同。
用於無序圖像收集的運動結構
(空間頻率調製)
(古羅馬競技場和長城)
通過這兩次旋轉，測量點網格被投射到目標物體上。除了這兩項角度測量外，還在網格的每個位置進行距離測量。這三種測量結果均為實時處理，得到局部X、Y和Z坐標。此外，雷射掃描儀記錄了反射雷射束的強度，可根據不同表面反照率對點雲進行相應的著色處理。一般而言，普通攝像機和目前的熱成像攝像機都屬於多傳感器系統，這些系統的功能在於用正確的顏色顯示物體。
由於三維目標物體不能從單一的視圖中生成，因此，大多數項目需要在不同的位置進行大量的掃描，這就需要操作人員考慮連接的方法，或者更精確地進行單一目標掃描。
單一目標掃描的方式多種多樣，著重介紹其中的兩種。第一種方法是較為經典的目標採用法。球面目標或黑白目標等不同目標類型，可以用來連接不同的掃描任務。這樣的任務至少需要三個相同的目標，使用5至7個目標來減少剩餘誤差，達到更好的測量效果。
第二種方法是迭代最近點算法(ICP算法)。在迭代過程中，算法將兩個點雲之間的剩餘誤差最小化，該算法需要兩個點雲的充分重疊(通常至少重疊30%)和對初始方向的粗略估算。當前的技術水平可允許項目包含數百次掃描和數十億個單點。
攝影測量法
攝影測量的歷史可追溯到19世紀中葉。美國攝影測量和遙感學會(ASPRS)將攝影測量定義為：通過記錄、測量和解譯照片，獲取有關實體對象和環境的信息，以及記錄輻射電磁能量及其他現象的一門藝術、科學和技術。
基礎的數字攝影測量使用的是從不同位置拍攝的同一物體的圖像。如可在至少兩幅圖像的重疊區域中識別出目標的單點，則可對其進行三角化。因此，數字攝影測量採用了共線性方程。這些方程的輸入對應的是點的內、外方向和像素坐標。內部方向由針對於每個相機的參數決定，而外部方向描述的是相機相對於大地坐標系的位置和方向。
內部定位的參數可通過對攝像機進行校準獲取，外部的參數需要在曝光期間使用機載傾斜儀和GNSS天線等設備獲取。儘管測量到外部方向的可能性通常不大，且內部方向未知，但仍可利用高度複雜的光束法平差來獲取結果。與已知參數的測量方法相反，這種方法需要地面接合點，這些接合點必須出現在與TLS目標相似的對應圖像中。
攝影測量在德國已經應用了幾十年，德國在二戰時期遺留下來的啞彈射擊定位就運用了攝影測量。由於盟軍的空中偵察對目標進行了徹底的控制，因此利用這些圖像進行攝影測量和定位是有可能實現的。此法也曾被應用於德國城市中的一些建築工地上，以獲得初步的評估結果。
鋼混組合橋梁的掃描測試
筆者團隊的測量對象是位於德國慕尼黑聯邦國防軍大學校園內的一座試驗橋，目的是測試橋面板受損後對結構性能的不同影響，以及如何檢測和修復這些損傷。為此，這座橋的高度很小，方便替換混凝土橋面板。
德國慕尼黑聯邦國防軍大學試驗橋示意圖
這座試驗橋為鋼混組合結構的單跨板梁橋，兩個主鋼梁是HEB 1000梁，鋼的強度為S235，間距為2米。每隔3.7米，主梁上就會焊接一根橫撐。這座橋跨徑為29.9米，混凝土橋面板每塊寬4.0米，長3.0米。所有10塊混凝土板都根據受力情況進行了加固。
大橋的測量工作於2017年8月22日進行。一共進行了兩次測量，採用Leica ScanStation C10進行地面雷射掃描，並使用無人機AscTec Falcon 8進行攝影測量。為正確進行單個雷射掃描的設置，使用了6個球體目標和15個黑白目標。此外，橋梁表面的8個黑白目標也被攝影測量捕獲，而後用於精確分析。
Leica ScanStation C10及無人機AscTec Falcon 8
（照片由Ascending Technologies及Leica Geosystems提供）
採用雷射掃描對6種情況進行了測繪，其中兩次在橋的右側，兩次在橋的左側，兩次在橋的上部。這6次掃描以中等解析度進行，每次掃描時間為7分鐘。生成的點網格密度取決於距離。對於相距100米的表面，點網格密度為10釐米×10釐米。根據測量方案，橋的大多數構件在10米或以下距離的設置中進行了掃描，結果產生了非常密集的點雲。
用於攝影測量分析的圖像通過3次航拍，使用了索尼阿爾法7R型相機。其中兩次飛行路線是預先設定的。這些飛行路徑可以使現場測量工作順利進行，並且可使用從網際網路上檢索到的衛星圖像，提前在辦公室裡對飛行路徑進行創建。
為不同的飛行高度創建路線，第一條自動飛行路線涵蓋整個橋面的情況，飛行高度位於橋面以上大約12米。第二條自動飛行路線被定義在較低的位置，以捕捉更多結構細節，該路線沿橋長方向，從不同角度捕捉鋼梁和橋面板的情況。第三次飛行為手動操作，以捕獲一些更具體的細節。由於這座試驗橋的高度較低，從橋下拍攝難以實現，導致鋼梁和橋面板底部的影像在數量和質量上並不理想。
互為補充的圖像及攝影測量法
使用Agisoft PhotoScan軟體對無人機拍攝的照片進行後期處理。後期處理的第一步是計算所有照片的相對方向。因此，掃描得到的所有照片都必須從不同角度標記了物體同一點的連接位置，這意味著兩張照片的重疊率應至少達到40%，才能進行攝影測量。這些圖像利用檢測到的連接點，進行相對位置的記錄和圖像平面角度的對齊。在飛行過程中，無人機記錄了攝像機的角度，以及每張圖像的GPS坐標。這些信息可以用來加快對齊的過程。
由圖像數據計算得出的橋梁彩色點雲
無人機的飛行日誌或本地坐標系統記錄的坐標可以滿足這一需求。由於通過不同的定位方法，生成了局部坐標系，產生了更高的精度。局部坐標通過散布在橋上不同位置的目標獲得，目標坐標可以從TLS的分析中導出。在識別多幅圖像上的目標後，記錄位置、圖像的平面角度、連接點，並根據坐標系統進行縮放。在綜合考慮連接點和對齊的圖像後，筆者團隊計算出了一個約2,350萬個點的密集點雲。
TLS測量的註冊點雲
對單個TLS點雲的處理，筆者團隊採用了Leica Cyclone軟體。首先，將6次掃描結果從掃描儀傳輸到工作站，並導入Leica Cyclone。方法是較為經典的在球體和黑白目標之外創建約束。這種方法的優點在於，即使點雲之間的重疊很小，或沒有適當的表面進行ICP標註，結果也非常清晰。為實現這個過程，每個單獨的點雲需要包含至少3個可識別的目標。黑白目標可自動提取，而球體目標需要手動編輯。
測量總共使用了21個目標，其中至少有10個目標在每次掃描中可見，導致了大量的冗餘數據。所有目標都被識別出來，並根據它們在單次掃描中的位置信息進行了標註。一個包含所有測量結果、平均絕對誤差為2毫米的單點雲，被排除在標註之外。由於ScanStation C10的測量精度為2 毫米，可見2毫米的絕對平均誤差值符合要求。
在將新生成的點雲寫入資料庫後，派生出包含了約1,700萬個單點的統一雲。與圖像生成的點雲相比，該統一雲並無顏色信息。即便如此，雷射束反射的強度被映射到雲上，更好地詮釋了目標物體。
點雲
（上方：TLS測得的點雲，
下方：攝影測量法測得的點雲）
從定量角度看，攝影測量生成的單個點雲數量較多，橋面板上出現的點雲密度尤其高。橋梁外觀被點雲重新塑造，阻礙清晰度的障礙物極少。然而，在後期處理過程中，攝影測量法的缺點開始凸顯，計算點雲的質量取決於記錄過程中的光照條件，如果結構上的亮斑和陰影斑對比度過高，點雲就會分布不均勻而導致信息的缺失。
攝影測量法這一缺點可通過圖像處理來彌補，使較暗和較亮的圖像變得均勻。另一個問題則源於在圖像信息缺失的地方產生的噪點。
橋梁截面的點雲圖
與攝影測量的點雲相反，TLS測得的點雲測量點分布更均勻，而攝影測量法測得的點雲分布更加隨機。
此外，由於TLS是一種與攝影測量相反的主動測量方法，TLS可以在低光照甚至無光照的地區捕獲點。
使用CloudCompare軟體對兩個點雲進行比較，以其中一個點云為參考，計算另一個點雲的偏差。為了進行比較，兩個點雲的數量都被減少至約100萬個點。為了確保結果的真實性，沒有進行ICP精密對準。通過差異分析的結果看出，在兩種模型中，橋面板和鋼梁的長度、寬度，以及它們的間距都匹配，偏差均小於0.01 米。僅有橋臺部分的網格顯示出了較大的坐標位置差異，這是由攝影測量的陰影效應造成的。
通過在該橋不同位置處的10釐米厚的截面點雲圖可以看出,在兩個點雲都能提供信息的區域內,兩個點雲擁有高度一致性。圖中的紅點代表TLS點雲,綠點代表攝影測量得到的點雲。
在第一個橫截面中，我們可以看到陰影的效果。由於缺少成像平面的角度以及鋼梁腹板處的水平圖像，攝影測量的點雲中存在噪點。第二個橫截面上也檢測到了陰影，但還檢測到了水平的網格圖像。由於照明情況存在差異，相對於右側的主梁，左側主梁的圖像明顯更為理想。
由於該橋的淨空較小，無法讓無人機從橋面板下飛過。但是，如果在兩種測量法都可行的區域進行測量，攝影測量的準確性就非常接近經典的雷射掃描方法。
點雲之間的差異分析 —點雲之間的計算距離
（以米為單位）
精準掃描為結構壽命提供依據
雷射掃描和攝影測量都可用來收集實體結構的一般幾何數據，包括橋梁長度等全局參數，以及有關構件的截面信息。實際結構與被掃描模型間的誤差可控制在較小的範圍內，且遠遠低於傳統的人工測量產生的誤差。
由於每種方法都有優缺點，雷射掃描法在後期處理中更為便捷，但測量時間較長、設置繁複。雷射掃描法的另一個優點是可以生成規則的網格或表面，並可以直接輸入到有限元軟體中。攝影測量法可以提前進行預處理，與雷射掃描法相比，所耗的時間更短。
相比之下，後處理對計算能力和人力投入要求更高。雷射掃描法可以在任何類型的光線下進行，而攝影測量法需依賴良好的照明和理想的天氣條件，才能獲取數據。要掃描的對象結構與測量方法的選擇有很大關係。攝影測量法需要目標對象擁有豐富的表面紋理，才能獲得高質量的數據，而雷射掃描法可以在沒有表面紋理的結構上對點進行記錄。
從技術的角度來看，兩種方法都可以對點雲進行著色。攝影測量法自動獲取顏色，而使用雷射掃描法則需要另外拍攝圖像，這也使得測量時間增加了一倍。在實際工程中，任何情況下都應該儘可能地創建逼真的點雲圖，以識別結構中的可見缺陷，如被鏽蝕的鋼構件或混凝土裂紋。
使用攝影測量法或雷射掃描法捕捉目標物體，可以為評估結構的剩餘使用壽命提供更多的信息。附加變形或裂紋發展等較小的變化都可以被記錄下來，結構部件也可以重新被創建並得到定期的檢查。這樣，工程師就有了一份完整的結構文件，以便在緊急情況下實現檢測和評估。本文所展示的結構點雲圖獲取方法涉及基本數據，這也是BIM軟體創建幾何模型的必備數據。
此外，點雲可作為創建網格的節點，或者作為其他軟體(如GeomagicX、Rhinoceros等)生成表面或體積模型的基礎數據。在其他學科中，先掃描結構再創建BIM模型的過程被視為逆向工程。對於現有結構的設計和施工，這兩種方法都可為工作流程提供必要的數據。
通過生成三維模型，與之前的模型進行對照，減少人為操作的盲點，可降低大型結構的檢查成本。結合不同的掃描方法甚至可以增加獲取的信息數量，例如熱成像技術可用於檢測與一般表面不同的區域。
現代計算機技術與掃描方法的結合，增加了建築物和工程結構測量評估的準確性。如果BIM技術能夠合理的利用，未來可為評估和檢查工作打下良好的基礎。但在這之前，創新的測量方法（包括本文提及的方法）需加以升級改進，以縮短新舊方法間的差距。
本文刊載 /《橋梁 · BIM視界》雜誌 2020年 第1期 總第12期
資料來源 / 第40屆IABSE研討會論文集
《Scanning of Existing Structures – an Entry into BIM》
作者 / Maximilian Garsch等
作者單位 / 德國慕尼黑聯邦國防軍大學