【正文】 以及大氣自動改正。②視野范圍：360176。④文件傳輸：USB 連接到外接設(shè)備。③運輸箱：尺寸 645 深490 寬435 高 mm，重量 。③光線限制：可以在各種光線下操作。它能夠配準、觀察、探測、處理點云數(shù)據(jù)，融合了許多精密工具，可用于特征建模和特征授權(quán)，適合于民用測量、建筑、遺產(chǎn)和法庭應用，另外也可以應用于地理空間行業(yè)的許多不同的領(lǐng)域。基于點云的配準方法是選取兩站數(shù)據(jù)，在兩幅點云數(shù)據(jù)中手動選取 3 個同名點進行配準；基于目標的配準方法是把兩站或多站點云中共同的平面或者球形標靶進行匹配。主要功能有：平面切割、面與面檢測、面與模型檢測、面與曲線檢測、生成等值線、縱橫切面分析、多義線繪圖、2 維多義線檢測、容積計算、擬合、創(chuàng)建三角網(wǎng)、正射(多面)投影、圖像校準投影等。 影響點云精度因素分析影響點云精度的因素很多，從誤差的角度來看，地面三維激光掃描系統(tǒng)測量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩種類型。下面詳細分析對在數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)處理過程中對點云精度影響較為普遍的各項因素。確定儀器誤差可以判斷儀器的穩(wěn)定性，在使用三維激光掃描儀過程中，一般根據(jù)掃描儀規(guī)定的測程來制定掃描距離，理論上認為掃描距離越小，激光在介質(zhì)中傳播距離越短，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越優(yōu)越。掃描角度引起的誤差是掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描鏡轉(zhuǎn)動的微小震動、掃描儀的非均勻轉(zhuǎn)動控制誤差等因素的綜合影響。點云厚度與測量精度成線性關(guān)系，點云厚度越厚，說明點云測量的質(zhì)量越低；點云厚度越薄，則說明點云測量的質(zhì)量越高。當光線入射到光滑物體表面時，光線定向反射出去，這種反射稱之為鏡面反射。這個規(guī)律就稱為朗伯余弦定律 [36]。故當入射光功率一定時，被測物表面反光性能越好，儀器接收到的激光功率越大，信噪比越高，測量精度越高。由于三維激光回波信號具有多值性的特點，有些三維激光掃描系統(tǒng)只能處理首次反射回來的回波信號，有些三維激光掃描系統(tǒng)只能處理最遲反射回來的回波信號，也有一些三維激光掃描系統(tǒng)能夠綜合處理首次和最遲反射回來的回波信號。200。為了確定一個漫反射面接近理想朗伯面的程度，通常可以測量其輻射強度分布曲線。對于理想的漫反射體，它遵循朗伯余弦定律。理論上，亮度值越高，點的質(zhì)量越好；亮度越低，點的質(zhì)量越低。k 點云厚度與亮度影響從理論上來講，在平面上掃描的點云數(shù)據(jù)，通過平面擬合應該是一個平面，然而，在實際掃描過程中，由于測量誤差的存在，在平面掃描的點云數(shù)據(jù)是存在一定的厚度的。掃描角的誤差是一種特別的誤差，掃描角誤差對掃描點的影響隨距離增大而增大。脈沖計時的系統(tǒng)誤差造成循環(huán)、混淆現(xiàn)象與測距的凸角誤差相類似，測距技術(shù)中不確定間隔更可能造成數(shù)據(jù)突變，目前可運用一些較好的技術(shù)(如頻率倍乘、微調(diào))處理這種突變的誤差。三維激光腳點測量誤差的影響因素較多，大致可分為三類：儀器誤差、與目標物體反射面有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件的影響。 Trimble GXTM 三維激光掃描數(shù)據(jù)格式Trimble GXTM 三維激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)中不但包括點云 、 、 三維XYZ坐標，還包括亮度信息 、色彩信息 、 、 以及在各坐標軸方向的法向量IRGB、 、 。最后可以導出配準報告。Registration(配準)模塊功能是將采集到的不同測站點云進行配準。(1) Trimble Point Scape 軟件Point Scape 是控制 Trimble GXTM 三維激光掃描儀外業(yè)獲取數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件，它可以在筆記本電腦或 Pocket PC 運行，具有許多先進的掃描功能，表 22 列出了一些常用的功能。(4) 環(huán)境指標①操作溫度：0℃40℃。(3) 物理指標①掃描儀：尺寸為 323 深343 寬404 高 mm，重量 ，功耗小于100w。 。⑩掃描點間距：5m 時可達 ，15m 時可達 ，25m 時可達，100m 時可達 。2mm(取決于建模方法)。③掃描標準差：掃描距離小于 50 米時標準差為 ，掃描距離 50m100m 時標準差為 ，掃描距離 100m150m 時標準差為 ，掃描距離150m200m 時標準差為 。Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描儀主機(圖 )、基座、控制器(筆記本電腦或掌上電腦(Pocket PC 機))、連接掃描儀和數(shù)據(jù)控制器的以太網(wǎng)電纜、電源供應系統(tǒng)(包括電源連線、電池模塊和交流變壓器以及帶有 AC 電纜的超緊湊式供電電源)、掃描儀配套軟件系統(tǒng)(RealWorks Survey 和 Point Scape)以及平面標靶組成( 圖 )。從式子(23)可知，只要確定發(fā)射和接受信號的相位差便能求出被測目標到激光源的距離。Dc只要準確計算出激光脈沖信號在通過被測物體上的往返時間差，就可以求出被測物體到激光發(fā)射點的距離，如圖 所示。由此可得到三維XZ激光腳點 的坐標 坐標，計算公式如下：P),Y (21)???????sincoSZXXYP(,YZ)?圖 三維激光腳點坐標計算三維激光掃描依據(jù)測距原理不同主要分為脈沖式、三角測量式、相位式三種，下面分別介紹這幾種測距原理 [35]。通過掃描系統(tǒng)可以使脈沖激光束在預設(shè)范圍內(nèi)沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。激光三角法(Laser Triangulation)是利用立體相機和結(jié)構(gòu)化光源，通過獲得兩條光信息，建立立體投影關(guān)系。②激光探測，通過同一個掃描鏡和聚光透鏡收集經(jīng)過物體反射回來的激光回波信號轉(zhuǎn)換為電信號。(1) 激光測距系統(tǒng)激光測距原理主要有脈沖測距法 TOF、基于相位測距法 (如：干涉測距法)、激光三角法三種基本類型。7(100m 處) 1000 ⅠOptechILRIS3DMC 脈沖 31500 4040 177。2(25m 處 ) 176。3(20m 處 ) 176。10 176。25 176。10(150m) 177。6″ 5000 ⅡGS200 脈沖 1200 36060 177。6（50m處） 177。6（50m處） 177。6（50m處） 177。此種類型的掃描儀掃描點云的密度和準確度都很高，目前多數(shù)主動式的掃描系統(tǒng)都采用這種激光束發(fā)射方式，如圖(c)。如圖 (a)。利用立體相機和結(jié)構(gòu)化光源，通過獲得兩條光信息，建立立體投影關(guān)系。利用激光光線的連續(xù)波發(fā)射，根據(jù)光線干涉原理確定干涉相位的測量方法。TOF 又稱為時間漂移測距原理，是一種高速激光測時測距技術(shù)。測量距離小于 100 米。代表儀器有 Trimble 公司的 GS200 掃描儀以及 RIEGL 公司的 LMS Z420 掃描儀。此類型的掃描儀適用于室內(nèi)掃描，例如數(shù)字化房屋、設(shè)備掃描等。(2) 按照掃描系統(tǒng)成像方式劃分①攝影式掃描系統(tǒng)。(1) 按照應用范圍劃分①測量型激光掃描儀。三維激光掃描系統(tǒng)原理主要是依據(jù)測距原理來劃分的，包括：脈沖式、三角測量式以及相位式，其中脈沖式三維激光掃描儀在測繪領(lǐng)域應用較多，然而不論是何種類型的三維激光掃描儀，在測量過程中總是存在誤差：儀器誤差、系統(tǒng)誤差以及外界環(huán)境影響等，三維激光掃描技術(shù)誤差理論還沒形成一般的體系，面對諸多影響點云精度因素必須加以分析研究。(3) 第三章橋梁變形監(jiān)測方案設(shè)計以及點云數(shù)據(jù)獲預處理，研究分析了點云數(shù)據(jù)獲取后的預處理工作，主要包括點云去噪、特征點坐標轉(zhuǎn)換以及點云配準；給出了左右手系坐標換算方程，推導了特征點坐標轉(zhuǎn)換算法；詳細研究了點云數(shù)據(jù)去噪和海量點云配準方法，利用 RealWorks Survey 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)了海量點云數(shù)據(jù)的精確配準。 本文技術(shù)路線根據(jù)本文的研究內(nèi)容，本文提出了基于三維激光掃描橋梁監(jiān)測的技術(shù)路線，主要包括三維激光掃描系統(tǒng)介紹、數(shù)據(jù)質(zhì)量改善、變形監(jiān)測方案設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理及變形量提取等方面，具體如圖 所示。數(shù)據(jù)獲取首先建立高精度的大地控制網(wǎng)，其次利用三維激光掃描儀采集橋梁不同部位數(shù)據(jù)。本文的主要內(nèi)容如下：(1) 在分析三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及在變形監(jiān)測應用方面的中外文獻資料的基礎(chǔ)上，介紹了國內(nèi)外在三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及變形監(jiān)測應用方面的研究現(xiàn)狀，分析研究的不足之處及有待解決的問題，闡述本文的研究目標。 本文主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 本文研究內(nèi)容本文研究的目的是采用先進的三維激光掃描技術(shù)進行橋梁變形監(jiān)測。(3) 在點云數(shù)據(jù)處理方面，盡管國內(nèi)外學者進行了很多研究，但是針對橋梁監(jiān)測這種結(jié)構(gòu)大、精度要求較高的特點，仍然沒有完善的數(shù)據(jù)處理方法，研究如何處理龐大的點云數(shù)據(jù)，尤其是點云去噪、數(shù)據(jù)分割、點云數(shù)據(jù)配準等方面還是重點研究內(nèi)容。此外，在 2022 年，北京徠卡測量系統(tǒng)人員與西安四維航測遙感中心的技術(shù)人員使用徠卡 HDS3000 和 HDS2500 兩種三維激光掃描儀聯(lián)合作業(yè)，掃描了秦始皇兵馬俑博物館的兵馬俑二號坑，同時使用徠卡 Cyclone 三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件完成了整個兵馬俑二號坑掃描的數(shù)據(jù)拼接和三維建模，成功地為文物考古提供了三維技術(shù)資料。數(shù)據(jù)處理方面，馬立廣 [22]系統(tǒng)地對地面三維激光進行了分類，研究了三維激光掃描的誤差原理，對點云在邊緣信息提取、點云匹配以及點云建模對數(shù)據(jù)的存儲和檢索做了詳細介紹；朱凌 [23]等人分析了點云分辨率，主要研究了在點云分辨率中起主導作用的平面分辨率，得出了計算平面分辨率的理論公式，并通過實驗驗證了其正確性；鄭德華 [24][26]對三維激光掃描的數(shù)據(jù)處理進行了系統(tǒng)的研究，針對三維激光掃描誤差分析、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)配準、數(shù)據(jù)縮減、數(shù)據(jù)分割、特征提取以及建模等方面分別進行了詳細的分析和研究；石銀濤、程效軍[27]等人闡述了全站儀 CAD 建模與地面三維激光掃描建模方式的流程，并對兩種建模方法得到模型的點位誤差、幾何體誤差、整體模型中誤差等不同方面進行分析研究，探討了地面激光掃描儀應用于大型建筑建模中能達到的精度，以及適應的場合，通過實驗表明三維激光掃描建模方法具有快速、高效，模型精度較高等優(yōu)點。三維激光掃描數(shù)據(jù)處理方面，1992 年 Besl 和 Mckay[5]首次提出了著名的ICP(Iterative Closest Point)配準算法，該算法以四元數(shù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)了點集到點集的配準,它不僅適用于點集與點集之間的配準，也適用于其他幾何對象的配準，應用范圍較大；2022 年 HC Kim[6]等人研究了不規(guī)則點云的數(shù)據(jù)分割算法，并比較無噪聲點云數(shù)據(jù)的分割和有噪聲點云數(shù)據(jù)的分割方法,進一步將數(shù)據(jù)分割分為平面分割、光滑表面分割和粗糙表面分割三種類型；2022 年 SM Hur[7]等人提出了在點云數(shù)據(jù)狄羅里三角化的過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)縮減的方法，從而使得生成STL 文件的大小得到了有效的減小，該方法可以降低模型誤差、減少計算機運行時間，同時也可保證 RP 模型的精度；2022 年 Wolfgang Boehier[8]等人使用多種不同廠家生產(chǎn)的三維激光掃描儀，針對測量角度、測距精度、邊緣影響、分辨率以及外界環(huán)境光線等方面影響進行理論分析，并做出了實驗驗證，通過對比分析對點云質(zhì)量進行了調(diào)查；J. Clark[9]等使用 Leica HDS2500 三維激光掃描儀對不同顏色的物體進行掃描并分析研究，為提高數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量做出評價；2022 年 Natasha[10]等人針對 ICP 算法中的點云數(shù)據(jù)配準質(zhì)量問題，即在無特征區(qū)域選擇太多的掃描點云數(shù)據(jù)時，尤其是掃描數(shù)據(jù)中存在較大測量噪聲或數(shù)據(jù)沒有校正時，將導致收斂速度減慢或配準不正確，甚至出現(xiàn)配準不收斂現(xiàn)象，為了提高 ICP 算法的穩(wěn)定性，以配準處理的不確定性最小化為目標，提出了考慮轉(zhuǎn)換約束情況進行采樣點選擇的方法；2022 年 Sophie Voisin[11]詳細研究了環(huán)境光線對三維激光掃描的影響。目前比較成熟的傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段也很多,傳統(tǒng)的方法有全站儀測量、GPS技術(shù)、精密水準測量及近景攝影測量等,變形分析方法包括：回歸分析法、時間序列分析法、灰色系統(tǒng)分析法、Kalman 濾波分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法以及頻譜分析法等，這些方法及理論研究都已達到比較深入的程度,并形成了相應的技術(shù)及理論體系。如何針對特大型橋梁的梁體、塔柱、墩身及錨體等重要部位的變形監(jiān)測和檢測工作，采用三維激光掃描技術(shù)獲取高精度的密集點云數(shù)據(jù)，進行逆向三維建模；怎樣結(jié)合橋梁設(shè)計資料和多期三維測量模型，分析結(jié)構(gòu)體的整體形變和差異，建立一種基于三維模型形變分析方法和理論，形成一套完整的特大型橋梁構(gòu)筑物的全面監(jiān)測和檢測程序體系，為科學全面的特大型橋梁監(jiān)測技術(shù)提供典型的樣例等問題都是當今研究的重點。精確的三維模型需要完整地描述目標結(jié)構(gòu)，因此需要大量的三維點，少則幾萬個，多則幾百萬以上，這樣才能把目標完整地描繪出來。因此，新的、全面的檢測和監(jiān)測方法是一種發(fā)展趨勢。因此，橋梁的全面、準確的監(jiān)測迫切而又重要。在施工和運營過程中，為了保證橋梁工程的安全，需要對橋梁的地基、引橋、下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、橋面等結(jié)構(gòu)和外形作全面的檢測和監(jiān)測。 ICP registration algorithm。 bridge。 some of important 3D laser scanner’s performance index parameters are listed。(3) 詳細分析了影響點云精度的主要因素，探討了掃描距離、掃描角度、目標反射體表面粗糙程度、邊緣效應、激光光束、外界環(huán)境等方面對點云數(shù)據(jù)精度的影響，提出了獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)點云的方法。碩 士 學 位 論 文基于三維激光掃描的橋梁監(jiān)測方法研究論文中文題名 基于三維激光掃描的橋梁監(jiān)測方法研究 Method Based on 3D Laser Scanning摘 要近幾年，三維激光掃描技術(shù)的進步日新月