【正文】 ......................................56 基于 ICP 算法的變形量提取步驟 ...............................................................................57 ICP 配準精度指標 .........................................................................................................60 變形量距離閾值判定 ....................................................................................................60 實驗結(jié)果分析 ................................................................................................................61 本章小結(jié) ...............................................................................................................................64第五章 結(jié)論與展望 ....................................................................................................65 結(jié)論 .......................................................................................................................................65 展望 .......................................................................................................................................65參考文獻 ......................................................................................................................67致 謝 ............................................................................................................................72附 錄 ............................................................................................................................73第一章 緒論 課題研究背景及意義隨著我國綜合國力的不斷提高和科技水平的日益飛躍，我國的橋梁建設(shè)也到了一個迅猛發(fā)展的階段。 point cloud data。 The fundamental of three types of typical 3D laser scanners based the Time of Flight range finder、interferometry and laser triangulation are introduced in the dissertation。(4) 設(shè)計了使用地面三維激光掃描儀對橋梁進行變形監(jiān)測的方案，給出了點云數(shù)據(jù)獲取步驟；通過編程并結(jié)合 RealWorks Survey 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)了橋梁的點云去噪、特征點坐標轉(zhuǎn)換以及點云配準。隨著三維激光掃描儀生產(chǎn)技術(shù)和配套數(shù)據(jù)處理軟件的日漸發(fā)展成熟，使用三維激光掃描系統(tǒng)對建筑物、邊坡和礦區(qū)等進行變形監(jiān)測對于安全預測、生產(chǎn)指導都具有重要意義。本文針對橋梁變形監(jiān)測，應用三維激光掃描技術(shù)展開研究，主要內(nèi)容如下：(1) 回顧了近幾年三維激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)處理和變形監(jiān)測應用方面研究現(xiàn)狀，提出了本文的研究內(nèi)容和技術(shù)路線。(5) 研究了利用曲面擬合方法分析橋梁沉降，實驗表明該方法可以較好的反映出橋梁在順橋向和橫橋向的不均勻沉降以及表面相對形態(tài)變化；編程實現(xiàn)了 ICP 配準算法，并通過將兩期掃描數(shù)據(jù)進行配準提取變形量，實驗表明該方法可以精確地提取橋梁表面微小變形。 The experiment instrument which is about Trimble GXTM 3d laser scanning system is introduced including position、software function and support data formats.(3) The main influence factors of point cloud accuracy are detailed analysis, such as scanning distance、angle、target reflector surface roughness、edge effects、laser beam and external environment etc are discussed, and then a method to improve access data quality is proposed in the dissertation.(4) The scheme of bridge deformation monitoring is designed which is how to use terrestrial 3D laser scanning system, and the steps of get point cloud data acquisition is given. The point cloud denoising、coordinate transformation of feature points and point cloud registration are realized through the programming and RealWorks Survey. (5) The bridge subsidence is analyzed by the method of fitting of surface, the experiment results show that: the mathod can better to reflect the uneven settlement and surface relative change of the bridges。 deformation monitoring。目前，江蘇省境內(nèi)已建和在建的特大型橋梁有江陰大橋，南京二、三和四橋，潤揚大橋，蘇通大橋，泰州大橋，崇啟大橋等。調(diào)查結(jié)果表明：設(shè)計平均壽命為 75 年的橋梁實際使用壽命平均為 40 年左右；德國對部分混凝土橋梁的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：使用年限 25 年以上的橋梁 46%至少存在一處中等以上的損傷。在三維數(shù)據(jù)采集方面?zhèn)鹘y(tǒng)手段主要包括：單點采集三維坐標的方法(如 GPS 高精度定位、三維坐標測量機、全站儀等)、基于光學攝影測量原理的近景攝影測量以及航空攝影測量等。它是利用激光測量單元進行從左到右，從上到下的全自動高精度步進測量，進而得到完整的、全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點的三維坐標。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，能夠快速獲取物體表面海量三維坐標數(shù)據(jù)，實現(xiàn)逆向三維模型的快速重建，對復雜的交通改造工程的設(shè)計、施工和監(jiān)測是一次突破性的飛躍。因此，三維激光掃描技術(shù)在橋梁監(jiān)測方面的應用研究意義重大。目前，地面三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測、大壩變形等精度要求高的領(lǐng)域研究還較少，而在礦區(qū)沉降、邊坡監(jiān)測等方面已有廣泛的研究和應用，國內(nèi)外學者對三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及在變形監(jiān)測方面的應用方面也進行了較多的研究和試驗。另外，2022 年奧地利應用 RIGEL 公司的 LMSZ420 遠程地面三維激光掃描儀對 1000m 以外的阿爾卑斯山雪層、冰川變化進行了監(jiān)測； 2022 年 7 月到2022 年 9 月 Optech 公司利用其 ILRIS3D 激光掃描系統(tǒng)結(jié)合 GPS 對 Miage 湖邊緣冰山北部周圍近地面冰崖的移動進行了監(jiān)測，經(jīng)過幾次重復監(jiān)測的比較，實驗結(jié)果明冰崖發(fā)生了移動，在一年多的時間內(nèi)后退了幾十米；美國科羅拉多州的礦業(yè)學院，正在研究開發(fā)一種運用激光探測與測距的激光掃描技術(shù)的邊坡穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，美國的 Kennecott 能源公司和 3DP 公司，也為這項研究的開發(fā)計劃提供研究開發(fā)資金，它們要研究確定便宜的三維激光雷達掃描儀在監(jiān)控露天煤礦的高礦壁邊坡的實用性和潛力；2022 年 Pagounis Vassilios[20]等人使用徠卡 HDS2500 激光掃描儀應用在道路安全分析和交通事故模擬中； 2022 年Nabbout Khaled[21]等人將三維激光掃描系統(tǒng)應用于城鎮(zhèn)規(guī)劃中，包括道路、鐵路和隧道等測量。趙群 [32]等人根據(jù)國家體育館大跨度鋼屋的自身特點，采用三維激光掃描法對其滑移過程進行變形監(jiān)測，實驗結(jié)果表明用三維激光掃描法對大跨徑鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測是可行的。(1) 三維激光掃描精度雖然有所提高，儀器性能也趨于穩(wěn)定，但是在掃描過程中影響掃描質(zhì)量的因素很多，而面對變形監(jiān)測高精度的要求，如何避免各方面的負面因素影響，改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要進一步研究分析。在算法研究方面，多期數(shù)據(jù)的對比、變形指標的確定也需要更深入的研究。本文通過大量室內(nèi)實驗，研究了三維激光掃描儀在不同距離、不同角度、不同目標反射體、不同目標顏色等條件下測量的數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣差別，得出最優(yōu)越的測量條件，改善測量數(shù)據(jù)質(zhì)量。(3) 對影響點云精度的各項因素展開研究，包括掃描距離、掃描角度、目標顏色、目標反射體粗糙程度、激光光束以及外界環(huán)境等影響，提出了避免各種因素影響的方法，提高數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量，并通過系統(tǒng)地實驗，進一步驗證了分析結(jié)果。(5) 研究了橋梁變形量提取方法，通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)平面擬合、圓柱體表面擬合，推導了二次曲面擬合算法。(2) 第二章介紹了三維激光掃描分類、原理以及典型儀器性能指標；詳細介紹了實驗儀器 Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)組成、性能指標、配套的數(shù)據(jù)處理軟件以及支持的數(shù)據(jù)格式；詳細分析研究了影響點云數(shù)據(jù)質(zhì)量的各項因素，提出獲取優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)方法，包括：縮短掃描距離、調(diào)整掃描角度、單點精測、篩選點云灰度等方法。(5) 第五章總結(jié)本文的研究工作，分析存在問題，展望本課題需要進一步研究的工作及方向。地面型激光掃描系統(tǒng)一般分為兩大類：移動式掃描系統(tǒng)和固定式掃描系統(tǒng)。②計量型激光掃描儀。代表儀器有 Leica 公司的 HDS3000、Optech 公司的 ILRIS_3D 等，它們適用于室外物體的掃描，對于長距離的掃描優(yōu)勢明顯。③混合型掃描系統(tǒng)。最長測量距離為幾米。測量距離大于 100 米。Leica 公司的 HDS3000 高清晰測量系統(tǒng)是典型的這種類型的三維激光掃描系統(tǒng)。Minolta 公司的 VIVID900 測量系統(tǒng)是典型的這種類型的三維激光掃描系統(tǒng)。Mensi 公司的 S10/S25 型測量系統(tǒng)是典型的這種類型的三維激光掃描系統(tǒng)。三坐標測量機就是基于這種原理，如圖 (b)。表 21 不同公司三維激光掃描儀性能指標生產(chǎn)公司 產(chǎn)品型號掃描類型測距范圍(m)掃描視場(176。6（50m處） 177。6（50m處） 177。ⅠGS100 脈沖 1100 36060 177。6″ 5000 ⅡGX3D 脈沖 1350 36060 177。50 176。1525 176。5 176。3(25m 處 ) 176。7(100m 處) 3600 ⅠILRIS36D 脈沖 31500 360110 177。其他生產(chǎn)地面三維激光掃描儀的廠家還有德國的 CALLIDUS、Z+F 以及 ArcTron；英國的3DLasterMapping；澳大利亞的 ISITE；日本的全站儀生產(chǎn)廠家 Topcon 也生產(chǎn)了 GLS1000 三維激光掃描儀。TOF 脈沖測距法是一種高速激光測時測距技術(shù)。④時間延遲測量，由精密原子鐘控制的精密計數(shù)器通過距離計數(shù)方法測量出激光回波脈沖與激光發(fā)射主脈沖之間的時間間隔。大范圍的掃描幅度、高精度的小角度掃描間隔及高幀頻成像技術(shù)是三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。(3) 支架系統(tǒng)支架系統(tǒng)包括外殼、適配器和底座，用于固定三維激光掃描儀和調(diào)整其高度。脈沖式激光測距一般不使用合作目標，而是通過被測物體對激光的漫反射獲取反射信號來進行距離測量。相位法測距的公式為： (23)???????fcD??2式中， 為檢測的相位差， 為光速， 為填充脈沖的頻率。通過計算發(fā)射到目標的激光信號與反射到 CCD 的激光信號之間的夾角以及激光發(fā)射器與CCD 之間的基線長度，從而可以得出激光發(fā)射源到目標的距離，如圖 所示。(1) 技術(shù)指標①測量距離：標準模式 200m，加長模式可達 350m(Over Scan)。⑤測角精度：水平角為 12″，豎直角為 14″。⑧數(shù)據(jù)完好性：實時溫度補償