【正文】 異，三維激光掃描儀已經(jīng)成為重要的測量工具，目前它已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)、土木工程、計(jì)算機(jī)視覺以及交通規(guī)劃等重要領(lǐng)域。(2) 介紹了地面三維激光掃描系統(tǒng)分類，列出了主要三維激光掃描儀的性能指標(biāo)參數(shù)；闡述了三維激光掃描系統(tǒng)脈沖測距法(TOF)、干涉法和三角法的三種測量原理；詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)儀器 Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)的組成、軟件功能及支持的數(shù)據(jù)格式。關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；橋梁；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；變形監(jiān)測；曲面擬合；ICP 配準(zhǔn)算法；AbstractIn recent years, the progress of the 3D laser scanning technology is changing with each passing Laser Scanner is a crucial measurement tool in the Geodesy and Engineering surveying, and it is applied widely in the fields of medicine、cultural relic protection、civil engineering、puter vision and traffic planning etc. As the technology of 3D laser scanner producing and the software of data processing developed mature increasingly, using the system of 3D laser scanning to deformation monitoring for the buildings、side slope and diggings is very important for the safe prediction and production guidance. In this paper, we use the techniques of 3D laser scanning in the deformation monitoring of bridge. The main research content of the dissertation includes:(1) The recent backgrounds in the ways of data processing and deformation monitoring applications of 3D laser scanning techniques are reviewed in detail, then proposes the main research content and technical route.(2) The classification of terrestrial laser scanning system are introduced 。 The ICP registration algorithm is realized by programming and then the surface deformation is extracted by the registration of two stage scanning data. The experiment results show that this method can accurately extract surface tiny deformation of the bridge.Key words：3D laser scanning technology。 surface fitting。這些特大型橋梁的建設(shè)技術(shù)先進(jìn)、規(guī)模大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高。國內(nèi)專家認(rèn)為超過 25 年以上的橋梁屬于“老齡”橋梁，據(jù)此，我國 40%的橋梁已進(jìn)入老化期，其數(shù)量隨時(shí)間推移還在不斷增加。單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)方法效率低、復(fù)雜場地工作時(shí)間長、對(duì)需要海量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)面、實(shí)體描述難以詳盡，而利用光學(xué)攝影測量原理使用軟件對(duì)數(shù)據(jù)圖像推擬獲取實(shí)體三維數(shù)據(jù)模型的方法，由于采集數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備限制及后期數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等原因，存在操作繁瑣、誤差較大以及欠穩(wěn)定等問題。與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)不同，它主要面向高精度逆向工程的三維建模與重構(gòu)。上述表明三維激光掃描技術(shù)在大型構(gòu)筑物的檢測建模方面有重要的使用價(jià)值和實(shí)現(xiàn)可行性。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀變形監(jiān)測又稱變形觀測或形變測量，就是利用測量與專用儀器和方法對(duì)變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)視觀測的工作，變形監(jiān)測的任務(wù)就是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小、及位置變化的空間狀態(tài)和時(shí)間特征，變形監(jiān)測的首要目地是要掌握變形體的實(shí)際性狀，為判斷其安全提供必要的信息 [1]。 國外研究現(xiàn)狀(1) 三維激光掃描誤差分析與數(shù)據(jù)處理方面三維激光掃描誤差分析方面，1999 年 Yang Yaoquan[2]等人在介紹了三角法激光掃描大型曲面的測量原理基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了影響其測量精度的幾個(gè)主要因素，包括：被測物體表面的光學(xué)性能、物體表面傾斜、光學(xué)系統(tǒng)畸變及散斑等方面，針對(duì)大范圍測量時(shí)光斑圖像占用多個(gè)像素及諸多因素造成的光斑圖像強(qiáng)度分布不均以致于很難讀取真正光斑幾何中心的問題，提出了一種基于Hough 變換的光斑中心提取方法，實(shí)驗(yàn)表明該方法可以提高大型曲面測量的精度；2022 年 Wu Jianfeng[3]等人通過研究認(rèn)為激光三角法測量是三維曲面非接觸測量的主要方法，其測量精度受到本身結(jié)構(gòu)和被測物體特性及環(huán)境因素等多方面的影響，通過試驗(yàn)對(duì)影響激光三角法測距精度的各種原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并針對(duì)不同影響因素給出了消除或降低誤差的方法；2022 年 Yuriy Reshetyuk[4]詳細(xì)研究了脈沖式地面激光掃描儀的誤差來源，他將誤差來源分為：儀器誤差、與目標(biāo)有關(guān)的誤差、環(huán)境誤差以及算法誤差四種，通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)分析了各類誤差的影響程度，并給出了誤差模型。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)學(xué)者也對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及在變形監(jiān)測方面應(yīng)用進(jìn)行了研究。劉杰 [33]等人針對(duì)地面三維激光技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了地面激光掃描測量的原理、數(shù)據(jù)后處理方法、變形監(jiān)測方案等，最后通過實(shí)驗(yàn)獲取高層建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，比較分析了三維激光掃描對(duì)于不同材質(zhì)和不同測量距離的變形監(jiān)測效果，從而研究了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)的可行性、技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題。(2) 以三維激光掃描儀為工具的變形監(jiān)測，目前還沒有統(tǒng)一的操作步驟和流程，因此對(duì)特大構(gòu)筑物進(jìn)行精密變形監(jiān)測，全面的監(jiān)測方案設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步展開研究。(5) 三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測方面缺乏成熟的體系，研究并建立完善的監(jiān)測體系，使三維激光掃描技術(shù)廣泛地在工程中得到應(yīng)用，仍然是當(dāng)今研究的課題。橋梁變形方面，提出監(jiān)測方案，獲取多期橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)去噪、配準(zhǔn)后，重點(diǎn)研究了橋梁形態(tài)變形分析方法，通過曲面擬合以及 ICP 配準(zhǔn)算法分析并提取變形量，實(shí)現(xiàn)整體性分析橋梁變形過程。(4) 針對(duì)橋梁變形監(jiān)測設(shè)計(jì)變形監(jiān)測方案，研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。研究基于 ICP 配準(zhǔn)算法的變形量提取方法。通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出最佳獲取點(diǎn)云途徑，為高精度的監(jiān)測做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。第二章 三維激光掃描系統(tǒng)及影響點(diǎn)云精度因素分析三維激光掃描技術(shù)是繼 GPS(Global Position System)之后的又一次技術(shù)革命，當(dāng)今隨著三維激光掃描技術(shù)的高速發(fā)展，不同類型的三維激光掃描儀也相繼被生產(chǎn)出來，它們在種類、功能、性能指標(biāo)等方面各有差異，如何對(duì)煩雜多樣的激光掃描儀根據(jù)不同的應(yīng)用目的進(jìn)行正確認(rèn)識(shí)和客觀選擇至關(guān)重要，所以對(duì)三維激光掃描儀的分類勢在必行。依據(jù)本文研究重點(diǎn)，下面主要介紹固定式地面三維激光系統(tǒng)的分類 [34]。測量精度優(yōu)于毫米，主要用于測量工業(yè)產(chǎn)品、精密部件等，也較多應(yīng)用于逆向工程。②全景式掃描系統(tǒng)。此類掃描系統(tǒng)集成上述兩種掃描類型的優(yōu)點(diǎn)，在水平方向的軸系旋轉(zhuǎn)不受任何的限制，而垂直方向上的旋轉(zhuǎn)因鏡面翻轉(zhuǎn)的各有不同。②中距離激光掃描儀。(4) 按照掃描系統(tǒng)測距原理劃分①脈沖測距原理(TOF)。②相位測距原理(Phase difference)。③激光雷達(dá)或光學(xué)的三角測距原理(Optical triangulation，Laser Radar)。(5) 按照掃描儀激光光束的發(fā)射方式劃分①燈泡式掃描儀。③扇型掃描儀。)單點(diǎn)測距精度(mm) 測角精度采樣率 (點(diǎn) /秒)激光級(jí)別HDS2500 脈沖 2100 4040 177。60 微弧 4000 ⅢHDS4000 相位 125 360310 177。25″ 500000 ⅢLeicaScanStation2 脈沖 2300 360270 177。6 (50m 處) 177。12(100m 處) 12″(H)14″(V) 5000 ⅢTrimbleVX 脈沖 150 取決于取景窗口 177。 3600 ⅠLMSZ210 脈沖 4400 36080 177。 1000 ⅠRieglLMSZ620 脈沖 106000 36080 177。 12500 ⅠLS420 相位 360190 177。 120220 ⅢFaroPhoton20/80 相位 150 177。7(100m 處) 12022 ⅠILRIS3DER 脈沖 32022 4040 177。 地面三維激光掃描系統(tǒng)原理 三維激光掃描系統(tǒng)的組成三維激光掃描系統(tǒng)組成包括：激光測距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)和支架系統(tǒng)三部分組成，同時(shí)也集成 CCD 數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。TOF 測量技術(shù)的測距過程分為四個(gè)主要環(huán)節(jié)：①激光發(fā)射，一個(gè)激光脈沖發(fā)射體在觸發(fā)脈沖的作用下，激光發(fā)出一個(gè)極窄高速激光脈沖，通過掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)并反射向物體，同時(shí)，激光信號(hào)被取樣而得到激光主波脈沖。干涉測距法(Interferometry)是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。三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)行精密光柵測角。 地面三維激光掃描系統(tǒng)原理地面三維激光掃描測量過程中一般使用內(nèi)部自身的坐標(biāo)系統(tǒng)，它通過數(shù)據(jù)采集獲得距離觀測值 ,精密時(shí)鐘控制編碼器同步測量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角S度觀測值 和縱向掃描角度觀測值 ，其中 軸在橫向掃描面內(nèi)， 軸在橫向??XY掃描面內(nèi)與 軸垂直， 軸與橫向掃描面垂直(如圖 所示) 。測距原理是利用發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差來計(jì)算被測目標(biāo)的距離，公式如下： (22)ctD21?式中， 為被測量距離， 為光速， 為發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的往返時(shí)間差。?由于相位式測距利用了調(diào)制和差頻技術(shù)，所以其測距精度較高，一般在毫米級(jí)，較多應(yīng)用在精密測距中。目標(biāo)物棱鏡 激 光 發(fā) 射 器透鏡線基CD圖 三角測量原理 實(shí)驗(yàn)儀器介紹 Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)介紹本文研究所使用的實(shí)驗(yàn)儀器是 Trimble GXTM 三維激光掃描儀，由美國天寶公司生產(chǎn)的一種先進(jìn)的測量儀器，它使用高速激光和攝像機(jī)捕獲坐標(biāo)和圖像信息。②掃描速度：最高達(dá) 5000 點(diǎn)/秒。⑥表面建模精度：177。⑨掃描分辨率：50m 內(nèi)光斑尺寸為 3mm。60176。⑤數(shù)字影像：實(shí)時(shí)一體化的彩色攝像機(jī)， 的光學(xué)縮放?？梢燥w機(jī)托運(yùn)。 Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)軟件Trimble GXTM 三維激光掃描儀配套的軟件包括外業(yè)采集數(shù)據(jù)軟件 Point Scape 和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件 RealWorks Survey。三大模塊組成了 RealWorks Survey 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。同時(shí)在配準(zhǔn)模塊中還可以進(jìn)行目標(biāo)分析和大地基準(zhǔn)分析，可以輸入標(biāo)靶高度、標(biāo)靶的絕對(duì)坐標(biāo)，可以把點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系中。Modeling(建模) 模塊是將處理好的點(diǎn)云進(jìn)行建模分析，主要功能有：基于點(diǎn)云的建模器工具、幾何體生成器工具、幾何體修改、相交工具等。系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差，可通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減??；偶然性誤差則是一些隨機(jī)性誤差。 測量距離和角度影響激光測距信號(hào)處理的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)帶來一定的誤差，特別是光學(xué)電子電路中激光脈沖回波信號(hào)處理時(shí)引起的誤差，主要包括掃描儀脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差和測距技術(shù)中不確定間隔的缺陷引起的誤差。如HDS2500 儀器的測距誤差在 50m 以內(nèi)為 6mm，超過 50m 后儀器測距誤差隨距離的增加而增加，在 200m 的時(shí)達(dá)到 42mm。在儀器性能穩(wěn)定的前提下，在平面掃描過程中并非是正面掃描的效果一定比側(cè)面掃描效果好，從誤差分解的角度來考慮，當(dāng)激光光線與掃描平面呈一定夾角時(shí)，掃描誤差在垂直物體表面和平行物體表面發(fā)生分解，假設(shè)在相同距離對(duì)同一平面進(jìn)行不同角度掃描，則有： (24)k????sin1式中， 為沿掃描線方向誤差， 為掃描方向與物體表面夾角， 為垂直物體1? ?表面誤差分量， 為其他影響因子。某些三維激光掃描系統(tǒng)可以獲取目標(biāo)的亮度信息，激光掃描回波亮度的研究已經(jīng)很成熟，在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程中，不同物體回波亮度是不同的。當(dāng)光線入射到粗糙物體表面的時(shí)候，反射光線會(huì)發(fā)散到各個(gè)方向，這種反射稱之為漫反射。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： (25)??cos0I?式中， 為與輻射表面法線夾角為 方向上的輻射強(qiáng)度， 為輻射表面法線方?I ?0I向上的輻射強(qiáng)度。 dSI0166。以處理首次反射回來激光回波信號(hào)為例(如圖 所示)，目標(biāo)物體表面粗糙程度引起激光腳點(diǎn)的