【正文】 云的配準(zhǔn)方法有基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)和基于目標(biāo)的配準(zhǔn)。RealWorks Survey 三維激光處理軟件本身自定義格式有xNyz*RWP、*PPF、*PCF，輸出格式支持*ASC、 *DXF、*DGN、*OBJ、*PTC、*KMZ 等，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)很方便在Auto CAD、Excel、3D MAX 以及其他三維激光掃描處理軟件中調(diào)用處理。激光測(cè)距誤差的綜合體現(xiàn)為測(cè)距中的固定誤差和比例誤差兩部分，通過(guò)儀器檢定可以確定測(cè)距誤差的大小。所謂點(diǎn)云厚度是指在某一平面上掃描的所有點(diǎn)到該擬合平面的平均距離。一個(gè)理想的漫反射體，其輻射亮度是一個(gè)與方向無(wú)關(guān)的常量，且其單位表面積向空間某方向單位立體角反射(發(fā)射 )的輻射功率和該方向與表面法線夾角的余弦成正比。θ圖 朗伯余弦定律示意圖三維激光掃描點(diǎn)云的精度與物體表面的粗糙程度有密切關(guān)系。如果輻射強(qiáng)度分布曲線接近圖 所示的形狀，我們就可以認(rèn)為它是一個(gè)朗伯面。 目標(biāo)物體反射表面粗糙程度的影響激光掃描到物體表面的時(shí)候會(huì)發(fā)生反射，反射分為鏡面反射和漫反射兩種。掃描角的影響主要包括水平方向掃描角度和豎直方向掃描角度測(cè)量的影響。儀器誤差是儀器本身性能上缺陷造成的測(cè)量誤差，主要包括激光測(cè)距的誤差和掃描角度測(cè)量的誤差；與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差主要包括目標(biāo)物體反射面傾斜的影響和表面粗糙度的影響；外界環(huán)境條件的影響主要包括溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響。Office Survey 模塊可以進(jìn)行點(diǎn)云多種處理分析。表 22 Point Scape 軟件功能選項(xiàng) 功能測(cè)量校正 電子整平、雙軸補(bǔ)償、大氣改正矩形取景攝像機(jī)縮放控制取景球型目標(biāo)、平面目標(biāo)和單點(diǎn)測(cè)量預(yù)先設(shè)置或者定制掃描設(shè)置返回密度或彩色點(diǎn)云掃描選項(xiàng)預(yù)估掃描時(shí)間和分辨率控制現(xiàn)場(chǎng)錄像 自動(dòng)全景 自動(dòng)掃描成像 快速交互式錄像、全景或者圖像取景 多邊形取景 多掃描取景 平面目標(biāo)和球形目標(biāo)自動(dòng)配準(zhǔn) 實(shí)時(shí) 3D 顯示、拖動(dòng)和縮放點(diǎn)云 顯示掃描位置 真彩色或者點(diǎn)云密度圖形顯示 模擬的表面底色和環(huán)境光線 其他選項(xiàng)觀測(cè)值和反向計(jì)算 (2) Trimble RealWorks Survey 軟件Trimble RealWorks Survey 數(shù)據(jù)處理軟件除了具有基本的顯示、窗口排列和編輯等功能外最主要的是它具有獨(dú)特的三大模塊：Registration(配準(zhǔn))模塊、Office Survey 模塊和 Modeling(建模)模塊。②電源：尺寸為 169 深65 寬 高 mm，重量 。(2) 系統(tǒng)指標(biāo)①激光類型：脈沖為 532nm 的綠色激光。④單點(diǎn)精度：100m 處單點(diǎn)定位精度為 12mm。(3) 三角測(cè)量原理三角測(cè)量就是通過(guò)三角幾何關(guān)系求得掃描中心到目標(biāo)的距離，三角構(gòu)成是：激光發(fā)射器、目標(biāo)反射點(diǎn)和數(shù)碼相機(jī)感光元件 CCD 的接收位置。(1) 脈沖式測(cè)量原理脈沖式測(cè)距也稱為時(shí)間漂移測(cè)距，其測(cè)程大于 100m，采樣速率 1000 點(diǎn)/ 秒以上。(2) 激光掃描系統(tǒng)激光掃描用的最多的是光機(jī)掃描、電鏡掃描、多棱鏡掃描和全息光柵掃描技術(shù)。目前，測(cè)繪領(lǐng)域所使用的三維激光掃描儀，多數(shù)是基于 TOF 脈沖測(cè)距法。 120220 ⅢILRIS3D/3DVP 脈沖 31500 4040177。 11000 ⅠVZ400 脈沖 1500 360100 177。1″ 15 LPM2K 脈沖 22022 360190 177。12″ 50000 ⅢMensiS10/S25 三角10/25 32046 177。60 微弧 1000 ⅢHDS3000 脈沖 210 360270 177。②三角法掃描儀。適用于中程距離測(cè)量，掃描范圍通常限制在 100m 內(nèi)，它的測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)。③長(zhǎng)距離激光掃描儀。代表儀器有 Imager5003 掃描系統(tǒng)。測(cè)量精度為毫米級(jí)，主要用于測(cè)量地形以及構(gòu)筑物。(4) 第四章研究橋梁監(jiān)測(cè)中變形量提取方法，推導(dǎo)了最小二乘平面擬合算法以及了二次曲面擬合算法，提出了基于曲面擬合的橋梁變形分析方法；利用ICP 配準(zhǔn)算法進(jìn)行根據(jù)多期數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了橋梁復(fù)雜部位的變形量提取，給出了衡量變形精度指標(biāo)與距離閾值判定方程。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括點(diǎn)云去噪、特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)配準(zhǔn)三個(gè)方面。在變形監(jiān)測(cè)方面三維激光掃描在邊坡變形、礦區(qū)建筑物變形等方面均有較多研究，但是在橋梁變形監(jiān)測(cè)方面相對(duì)較少，本文針對(duì)目前存在的問(wèn)題，引入相對(duì)形態(tài)變形的概念，重點(diǎn)研究橋梁變形監(jiān)測(cè)方法和變形量提取，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量改善方法、變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取方法、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理以及變形量提取方法研究等。 當(dāng)前研究的不足目前三維激光掃描技術(shù)研究已經(jīng)深入展開，誤差分析、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理以及工程應(yīng)用方面均有研究，但是變形監(jiān)測(cè)方面的研究還較薄弱，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析來(lái)看，三維激光掃描在橋梁變形監(jiān)測(cè)方面的研究還存在以下問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和解決。(2) 變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面在國(guó)外，三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用有了較多研究，2022 年Stuart Gordon[12]等人在分析了三維激光掃描在變形監(jiān)測(cè)方面的可行性后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)了 Cyrax 2400 儀器，對(duì)建筑物混凝土結(jié)構(gòu)以及木質(zhì)材料的橋梁進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)并取得一定成果；2022 年 Thomas Schafer[13]等技術(shù)人員應(yīng)用徠卡公司的 HDS2500 中程地面三維激光掃描儀對(duì)多瑙河上的 Gabcikovo 水電站船閘進(jìn)行蓄水前后的變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，取得了理想的精度結(jié)果和良好的經(jīng)濟(jì)效益；2022 年 Roderik Lindenbergh[14]等人通過(guò)對(duì) HDS3000 三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量分析后，將其應(yīng)用在施工隧道的變形監(jiān)測(cè)中，重點(diǎn)研究了點(diǎn)云密度對(duì)變形監(jiān)測(cè)的影響；2022 年 Frank Lemy[15]等人針對(duì)施工開挖的隧道進(jìn)行了變形分析，采用三維激光掃描技術(shù)制定了測(cè)量方案，在隧道多個(gè)位置設(shè)定球形標(biāo)靶進(jìn)行掃描建立隧道模型，將隧道不同側(cè)面的表面做了詳細(xì)分析；2022 年 Roberts Gethin[16]等人使用徠卡 HDS3000 三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析了儀器測(cè)量精度以及穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在 353m 的距離范圍內(nèi)，三維激光掃描儀和全站儀對(duì)混凝土測(cè)量的精度一致；同年 Andrew Wong[17]等人使用三維激光掃描成功地記錄了邊坡表面運(yùn)動(dòng)和裂縫變化情況，實(shí)驗(yàn)表明，三維激光掃描儀獲取的表面運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和布設(shè)在表面的傾角傳感器獲得數(shù)據(jù)能很好的吻合，通過(guò)重疊在不同時(shí)段獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將邊坡表面運(yùn)動(dòng)可以精確記錄下來(lái)，取得良好的效果；2022 年 O. Monserrat[18]等人在總結(jié)眾多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，采用了基于最小二乘的局部曲面擬合方法進(jìn)行變形研究，實(shí)驗(yàn)采用十種不同形狀、不同材質(zhì)的變形標(biāo)靶分析了變形分析精度在 1cm 以內(nèi)，最后對(duì)滑坡變形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并做出分析；2022 年 Diego GonzalezAguilera[19]等人通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)研究，利用 Trimble GX200 三維激光掃描儀結(jié)合 Leica TCA2022全站儀對(duì)大壩進(jìn)了周期變形監(jiān)測(cè)，通過(guò)建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取大壩周期數(shù)據(jù)，建立模型利用徑向基函數(shù)(Radial Basis Function)模型進(jìn)行分析變形，并進(jìn)行變形預(yù)測(cè)，取得一定成果。這種逆向工程的數(shù)據(jù)獲取、處理方式，尤其在橋梁監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用目前在我國(guó)屬薄弱領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)(3D Laser Scanning Technology)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)。交通建設(shè)迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸大幅度提高，行車密度及車輛載重越來(lái)越大，跨河橋梁和高架橋梁對(duì)交通運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性不斷增加，同時(shí)產(chǎn)生的一系列橋梁工程問(wèn)題日益突出。 point cloud data。(4) 設(shè)計(jì)了使用地面三維激光掃描儀對(duì)橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的方案，給出了點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取步驟；通過(guò)編程并結(jié)合 RealWorks Survey 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)了橋梁的點(diǎn)云去噪、特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及點(diǎn)云配準(zhǔn)。本文針對(duì)橋梁變形監(jiān)測(cè)，應(yīng)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(cè)應(yīng)用方面研究現(xiàn)狀，提出了本文的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線。 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。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(rùn)揚(yáng)大橋，蘇通大橋，泰州大橋，崇啟大橋等。在三維數(shù)據(jù)采集方面?zhèn)鹘y(tǒng)手段主要包括：?jiǎn)吸c(diǎn)采集三維坐標(biāo)的方法(如 GPS 高精度定位、三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、全站儀等)、基于光學(xué)攝影測(cè)量原理的近景攝影測(cè)量以及航空攝影測(cè)量等。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，能夠快速獲取物體表面海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)逆向三維模型的快速重建，對(duì)復(fù)雜的交通改造工程的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)是一次突破性的飛躍。目前，地面三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)、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(cè)等方面已有廣泛的研究和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及在變形監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用方面也進(jìn)行了較多的研究和試驗(yàn)。趙群 [32]等人根據(jù)國(guó)家體育館大跨度鋼屋的自身特點(diǎn)，采用三維激光掃描法對(duì)其滑移過(guò)程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用三維激光掃描法對(duì)大跨徑鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是可行的。在算法研究方面，多期數(shù)據(jù)的對(duì)比、變形指標(biāo)的確定也需要更深入的研究。(3) 對(duì)影響點(diǎn)云精度的各項(xiàng)因素展開研究，包括掃描距離、掃描角度、目標(biāo)顏色、目標(biāo)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(guò)系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析結(jié)果。(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(biāo)；詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)儀器 Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)組成、性能指標(biāo)、配套的數(shù)據(jù)處理軟件以及支持的數(shù)據(jù)格式；詳細(xì)分析研究了影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的各項(xiàng)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(diǎn)精測(cè)、篩選點(diǎn)云灰度等方法。地面型激光掃描系統(tǒng)一般分為兩大類：移動(dòng)式掃描系統(tǒng)和固定式掃描系統(tǒng)。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(duì)于長(zhǎng)距離的掃描優(yōu)勢(shì)明顯。最長(zhǎng)測(cè)量距離為幾米。Leica 公司的 HDS3000 高清晰測(cè)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(cè)量系統(tǒng)是典型的這種類型的三維激光掃描系統(tǒng)。表 21 不同公司三維激光掃描儀性能指標(biāo)生產(chǎn)公司 產(chǎn)品型號(hào)掃描類型測(cè)距范圍(m)掃描視場(chǎng)(176。6（50m處） 177。6″ 5000 ⅡGX3D 脈沖 1350 36060 177。1525 176。3(25m 處 ) 176。其他生產(chǎn)地面三維激光掃描儀的廠家還有德國(guó)的 CALLIDUS、Z+F 以及 ArcTron；英國(guó)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。④時(shí)間延遲測(cè)量，由精密原子鐘控制的精密計(jì)數(shù)器通過(guò)距離計(jì)數(shù)方法測(cè)量出激光回波脈沖與激光發(fā)射主脈沖之間的時(shí)間間隔。(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。相位法測(cè)距的公式為： (23)?