【文章內容簡介】 出目標的三維模型，并能獲得三維空間的線、面、體等各種制圖數(shù)據(jù)，同時，它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可進行多種后處理工作，如測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等。該技術突破了傳統(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計、施工和監(jiān)測是一次突破性的飛躍。上述表明三維激光掃描技術在大型構筑物的檢測建模方面有重要的使用價值和實現(xiàn)可行性。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；怎樣結合橋梁設計資料和多期三維測量模型，分析結構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)測技術提供典型的樣例等問題都是當今研究的重點。這種逆向工程的數(shù)據(jù)獲取、處理方式，尤其在橋梁監(jiān)測方面的應用目前在我國屬薄弱領域。因此，三維激光掃描技術在橋梁監(jiān)測方面的應用研究意義重大。 國內外研究現(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變形體的變形現(xiàn)象進行監(jiān)視觀測的工作，變形監(jiān)測的任務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)和時間特征，變形監(jiān)測的首要目地是要掌握變形體的實際性狀，為判斷其安全提供必要的信息 [1]。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、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、人工神經網(wǎng)絡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及理論體系。地面三維激光掃描系統(tǒng)作為一種全新的測繪技術,具有許多新的特性及功能，它以獨特的免棱鏡方式測量目標點，具有高精度、高密度、高速度、高時間分辨率以及高空間分辨率等優(yōu)越特點，使得三維激光掃描在變形監(jiān)測領域得到了關注和重視。目前，地面三維激光掃描技術在橋梁變形監(jiān)測、大壩變形等精度要求高的領域研究還較少，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。 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上，詳細分析了影響其測量精度的幾個主要因素，包括：被測物體表面的光學性能、物體表面傾斜、光學系統(tǒng)畸變及散斑等方面，針對大范圍測量時光斑圖像占用多個像素及諸多因素造成的光斑圖像強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，實驗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構和被測物體特性及環(huán)境因素等多方面的影響，通過試驗對影響激光三角法測距精度的各種原因進行詳細分析，并針對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、與目標有關的誤差、環(huán)境誤差以及算法誤差四種，通過實驗詳細分析了各類誤差的影響程度，并給出了誤差模型。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量進行了調查；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。(2) 變形監(jiān)測應用方面在國外，三維激光掃描技術在變形監(jiān)測方面應用有了較多研究，2022 年Stuart Gordon[12]等人在分析了三維激光掃描在變形監(jiān)測方面的可行性后，通過實驗校準了 Cyrax 2400 儀器，對建筑物混凝土結構以及木質材料的橋梁進行了變形監(jiān)測實驗并取得一定成果；2022 年 Thomas Schafer[13]等技術人員應用徠卡公司的 HDS2500 中程地面三維激光掃描儀對多瑙河上的 Gabcikovo 水電站船閘進行蓄水前后的變形進行了監(jiān)測，取得了理想的精度結果和良好的經濟效益；2022 年 Roderik Lindenbergh[14]等人通過對 HDS3000 三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)質量分析后，將其應用在施工隧道的變形監(jiān)測中，重點研究了點云密度對變形監(jiān)測的影響；2022 年 Frank Lemy[15]等人針對施工開挖的隧道進行了變形分析，采用三維激光掃描技術制定了測量方案，在隧道多個位置設定球形標靶進行掃描建立隧道模型，將隧道不同側面的表面做了詳細分析；2022 年 Roberts Gethin[16]等人使用徠卡 HDS3000 三維激光掃描儀對建筑物進行變形監(jiān)測實驗，分析了儀器測量精度以及穩(wěn)定性，實驗結果表明，在 353m 的距離范圍內，三維激光掃描儀和全站儀對混凝土測量的精度一致；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動和裂縫變化情況，實驗表明，三維激光掃描儀獲取的表面運動數(shù)據(jù)和布設在表面的傾角傳感器獲得數(shù)據(jù)能很好的吻合，通過重疊在不同時段獲取的點云數(shù)據(jù)，將邊坡表面運動可以精確記錄下來，取得良好的效果；2022 年 O. Monserrat[18]等人在總結眾多學者研究的基礎上，采用了基于最小二乘的局部曲面擬合方法進行變形研究，實驗采用十種不同形狀、不同材質的變形標靶分析了變形分析精度在 1cm 以內，最后對滑坡變形進行了實驗并做出分析；2022 年 Diego GonzalezAguilera[19]等人通過對三維激光掃描技術研究，利用 Trimble GX200 三維激光掃描儀結合 Leica TCA2022全站儀對大壩進了周期變形監(jiān)測，通過建立監(jiān)測點獲取大壩周期數(shù)據(jù)，建立模型利用徑向基函數(shù)(Radial Basis Function)模型進行分析變形，并進行變形預測，取得一定成果。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，經過幾次重復監(jiān)測的比較，實驗結果明冰崖發(fā)生了移動，在一年多的時間內后退了幾十米；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。 國內研究現(xiàn)狀國內學者也對三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及在變形監(jiān)測方面應用進行了研究。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。在變形監(jiān)測應用方面，邱冬煒 [28]等人針對城市地鐵變形特點提出了一種整體監(jiān)測城市地鐵隧道變形的方法，在不中斷地鐵正常運營的情況下，得到地鐵整個變形區(qū)域形變的三維數(shù)據(jù)，不僅精密監(jiān)控了隧道襯砌、軌道和道床的形變，確保行車安全，而且方便地進行了隧道結構和軌道變形的力學分析，從而達到了解地鐵變形機理、掌握形變規(guī)律、預測形變趨勢的目的；羅德安 [29][30]在分析了三維激光掃描儀的工作原理及數(shù)據(jù)采樣精度后，詳細分析了三維激光掃描技術在變形監(jiān)測領域內應用的可行性、技術優(yōu)勢和存在的問題，最后初步提出了基于三維激光掃描技術的整體形變監(jiān)測方法基本理論；譚國銓 [31]通過使用三維激光掃描儀對電廠冷卻塔進行掃描，實現(xiàn)了掃描數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)的比較，確定了其變形誤差的大小。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，實驗結果表明用三維激光掃描法對大跨徑鋼結構監(jiān)測是可行的。劉杰 [33]等人針對地面三維激光技術在高層建筑變形監(jiān)測中的應用進行了研究，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，最后通過實驗獲取高層建筑點云數(shù)據(jù)，比較分析了三維激光掃描對于不同材質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應用在變形監(jiān)測領域內的可行性、技術優(yōu)勢和存在的問題。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資料。 當前研究的不足目前三維激光掃描技術研究已經深入展開，誤差分析、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理以及工程應用方面均有研究，但是變形監(jiān)測方面的研究還較薄弱，通過對國內外研究現(xiàn)狀的分析來看，三維激光掃描在橋梁變形監(jiān)測方面的研究還存在以下問題需要進一步研究和解決。(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)質量，需要進一步研究分析。(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，因此對特大構筑物進行精密變形監(jiān)測，全面的監(jiān)測方案設計需要進一步展開研究。(3) 在點云數(shù)據(jù)處理方面，盡管國內外學者進行了很多研究，但是針對橋梁監(jiān)測這種結構大、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容。(4) 在變形監(jiān)測中，如何正確、準確地提取變形是一項重要的環(huán)節(jié)，相對于傳統(tǒng)監(jiān)測方法的高精度性，怎樣利用其獨特的整體分析的優(yōu)勢進行預測變形需要進一步探討。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。(5) 三維激光掃描技術在變形監(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廣泛地在工程中得到應用，仍然是當今研究的課題。 本文主要研究內容及技術路線 本文研究內容本文研究的目的是采用先進的三維激光掃描技術進行橋梁變形監(jiān)測。在變形監(jiān)測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)測方面相對較少，本文針對目前存在的問題，引入相對形態(tài)變形的概念，重點研究橋梁變形監(jiān)測方法和變形量提取，包括數(shù)據(jù)質量改善方法、變形監(jiān)測方案設計、點云數(shù)據(jù)的獲取方法、點云數(shù)據(jù)預處理以及變形量提取方法研究等。本文通過大量室內實驗，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)質量的優(yōu)劣差別，得出最優(yōu)越的測量條件