【導(dǎo)讀】變形成為整個礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題之一。在礦區(qū)不管是露天還是地下開采都不可。生態(tài)等帶來了嚴(yán)重的影響，也影響了礦區(qū)安全生產(chǎn)。因此，進(jìn)行地表變形監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)中我們可。而怎樣進(jìn)行變形監(jiān)測將成為今日的熱門話題，本文將重點(diǎn)論述傳統(tǒng)的和近。代的一些變形監(jiān)測技術(shù)，詳細(xì)的闡述各技術(shù)的原理。不同監(jiān)測技術(shù)是否能聯(lián)合。使用，以及對比性的來說明各監(jiān)測技術(shù)。

　　

【正文】 體的漫反射，部分反射信號被接收器接收。通過測量激光在儀器和目標(biāo)物體表面的往返時間，計算儀器和點(diǎn)間的距離。 圖 掃描目標(biāo)示意圖 實時三維激光掃描裝置與傳統(tǒng)近景攝影測量的方法相比的優(yōu)點(diǎn)有：采用實時三維激光掃描裝置可以克服傳統(tǒng)方法中的速度慢，實時掃描裝置具有超高速測量、無須重復(fù)、免去腳手架、快速建模高質(zhì)量信息、減少返工、快速循環(huán)、安全、易于操作的優(yōu)點(diǎn)。能對工作人員不能直接到達(dá)的地方對物體進(jìn)行測量。它是對測量目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取快速有效途徑。激光掃描裝置采用激光對所測單點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)光，再接受光，測定點(diǎn)位三維坐標(biāo)。如果所測目標(biāo)是按一定間隔連續(xù)測量則如圖 所示： 這可將掃描區(qū)域按 X和 Y自動進(jìn)行掃描， X 方向 400。 Y方向也是 400，可完成整個區(qū)域的三維掃描，得到目標(biāo)的表面三維坐標(biāo)值。 圖 掃描目標(biāo)示意圖 激光掃描儀的測量原理 在近景攝影測量中，一旦確定了立體像對中兩張像片之間的關(guān)系 (有時候也需要確定與地面之間的關(guān)系 )，即定向操作，那么在像片重疊范圍內(nèi)任意給定某地面點(diǎn)在左右像片上相應(yīng)點(diǎn)的像坐標(biāo)，就可以解算出該點(diǎn)的空間坐標(biāo)；反過來也是一樣的，給定某地面點(diǎn)的空問坐標(biāo)，根據(jù)定向參數(shù)，我們也可以解算出該 點(diǎn)在左右像片上的像坐標(biāo)，這也是我們得到離散點(diǎn)群的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。一般情況下，無論是傳統(tǒng)的方式還是采用數(shù)字近景攝影測量的方式，得到這些離散點(diǎn)云的方式有兩種：一種是基于立體影像的數(shù)據(jù)采集：一種是影像匹配也即數(shù)字相關(guān)。 本文研究則采用激光掃描的方式來獲取這樣的離散點(diǎn)云。在三維激光掃描儀內(nèi)，有一個激光脈沖發(fā)射體，兩個反光鏡快速而有序的旋轉(zhuǎn)，將發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域。測量每個激光脈沖從發(fā)出到被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時間來計算距離，同時編碼器測量每個脈沖的角度，可以得到被測物體的三維真實坐標(biāo)在這里我們 設(shè)激光掃描儀通過脈沖傳播的時間的到一起的掃描點(diǎn)的間距值為 S，精密時鐘控制編碼其同步側(cè)二兩每個激光脈沖和向掃描角度觀測值φ和縱向掃描角度觀測值ω。前面三種數(shù)據(jù)用來計算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。激光掃描三維測量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系， X 軸在橫向掃描面內(nèi)， Y軸在橫向掃描內(nèi)與 X 軸垂直， Z 軸與橫向掃描面垂直（如圖 ）。由此可以得到三維激光點(diǎn)坐標(biāo)的計算公式： cos sincos cossinXSYSZS???????? 圖 激光掃描原理圖 激光掃描儀種類 我們按照激光掃描儀的系統(tǒng)劃分，從掃描的空間位置或系統(tǒng)運(yùn)行平臺來劃分可分為如下三類： 1）機(jī)載（或星載）型激光掃描儀。這類系統(tǒng)由激光掃描儀 (LS)，飛行慣導(dǎo)系統(tǒng) (INS)。 GPS 定位系統(tǒng)、成像裝置 (UI)、計算機(jī)以及數(shù)據(jù)采集器、記錄器、處理軟件和電源構(gòu)成。 GPS 系統(tǒng)給出成像系統(tǒng)和掃描儀的精確空間三維坐標(biāo)，慣導(dǎo)系統(tǒng)給出其空中的姿態(tài)參數(shù)，由激光掃描儀進(jìn)行空對地式的掃描來測定成像中心到地面采樣點(diǎn)的精確距離，再根據(jù)幾何原理計算出采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 國際著名廠商美國徠卡、 0PTEcH、德國 IGI、奧地利 RIGEL 等公司都 先后推出了各自的機(jī)載三維激光掃描設(shè)備。 2）地面型激光掃描儀。此類別可劃分為兩類：一類是移動式掃描系統(tǒng)，一類是固定式掃描系統(tǒng)。所謂移動式掃描系統(tǒng)，它是集成了激光掃描儀， CCD 相機(jī)以及數(shù)字彩色相機(jī)的數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)。 GPS 接收機(jī)，基于車載平臺，由激光掃描儀和攝影測量獲得原始數(shù)據(jù)作為三維建模的數(shù)據(jù)源。而固定式的掃描儀系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)測量中的全站儀，它由一個激光掃描儀和一個內(nèi)置或外置的數(shù)碼相機(jī)，以及軟件控制系統(tǒng)組成。二者的不同之處在于固定式掃描儀采集的不是離散的單點(diǎn)三維坐標(biāo)，而是一系列的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。這些“點(diǎn)云” 數(shù)據(jù)可以直接用來進(jìn)行三維建模。而數(shù)碼相機(jī)的功能就是提供對應(yīng)模型的紋理信息。目前，瑞典 TopEye 機(jī)載系統(tǒng)、加拿大 Optcch 公司的 ALTMl020GG 系統(tǒng)、美國的Fli． Mapl 系統(tǒng)等都已經(jīng)用于快速獲取大面積三維地形數(shù)據(jù)。 圖 固定式地面型激光掃描儀 3）手持型激光掃描儀，是一種便攜式的激光測距系統(tǒng)?？梢跃_的給出物體的長度、面積、體積測量?？梢詭椭脩粼跀?shù)秒內(nèi)快速的測得精確、可靠的成果。應(yīng)用范圍包括古建筑重建、建筑應(yīng)用、洞穴測量和液面測量等。此類型的儀器配有聯(lián)機(jī)軟件和反射片，如萊卡的迪士通系列產(chǎn) 品。 圖 手持型激光掃描儀 機(jī)載型激光掃描儀 機(jī)載激光成像儀的概念是六十年代中期提出的，七十年代初，美國、加拿大 相繼研制成功了樣機(jī) 。該系統(tǒng)屬于主動型系統(tǒng)，能夠直接獲取地面三維坐 標(biāo) 。 利用圖像匹配獲取地面高程的傳統(tǒng)方法費(fèi)時，易出錯 ，且效率又非常低。激光掃描儀與二維圖像獲取系統(tǒng)相匹配就可以得到像元的高程數(shù)據(jù)，能夠制作等高 線、地形剖面圖以及地形與像元匹配的地學(xué)編碼影像、透視立體圖等地學(xué)專題 應(yīng) 用圖件，因此機(jī)載激光掃描儀受到了高度重視。目前國外有幾十家公司正在積 極 從事這方面的研究。 機(jī)載激光掃描儀以飛機(jī)為載體，以脈沖激光或連續(xù)激光為輻射源，以激光波束掃描的工作方式測量飛機(jī)到地面上激光腳印的斜距，通過掃描光學(xué)系統(tǒng)改變激光束的方向，實現(xiàn)激光束的橫向掃描，通過飛機(jī)沿一定航向的飛行而得到激光束的縱向掃描。它通過測量地面采樣點(diǎn)激光回波脈沖與發(fā)射激光主波脈沖之間的時間延遲而得到飛機(jī)到地面采樣點(diǎn)之間的距離。機(jī)載三維成像系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)主要有四種：圖像數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)姿態(tài)數(shù)據(jù)、 GPS 給出的位置坐標(biāo)。 機(jī)載激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的方式分為兩種： 1）先掃描方式； 2）圓掃描方式。 圖 先掃描 方式 圖 圓掃描方式 激光掃描儀的特點(diǎn) 三維激光掃描技術(shù)，具有精度高、速度快、高分辨率、非接觸式、兼容性好等優(yōu)勢，被譽(yù)為“測繪領(lǐng)域繼 GPS 技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命”。通過與傳統(tǒng)測量技術(shù)，如全站儀、近景攝影測量、航空攝影測量等對比分析，激光掃描儀主要有以下特點(diǎn) ： 1）非接觸式。三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光測量方式，不需反射棱鏡，直接對目標(biāo)體進(jìn)行掃描，采集目標(biāo)體表面云點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險、環(huán)境惡劣、人員無法到達(dá)的情況下，傳統(tǒng)測量技術(shù)無法完成，此時三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢明顯。 2） 數(shù)據(jù)采樣率高 ： 目前 ， 采用脈沖激光或時間激光的三維激光掃描儀采樣點(diǎn)速率可達(dá)到數(shù)千點(diǎn) 每 秒 ， 而采用相位激光方法測量的三維激光掃描儀甚至可以達(dá)到數(shù)十萬點(diǎn) 每 秒 ， 可見采樣速率是傳統(tǒng)測量方式難以比擬的 。 3） 主動發(fā)射掃描光源 ： 三維激光掃描技術(shù)采用主動發(fā)射掃描光源 （ 激光 ），通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息 ， 因此在掃描過程中 ， 可以實現(xiàn)不受掃描環(huán)境的時間和空間的約束 。 4）數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)。三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號，具有全數(shù)字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示。而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接數(shù)碼相機(jī)、 GPS 配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴(kuò)展性。 5） 具有高分辨率 、 高精度的特點(diǎn) ： 三維激光掃描技術(shù)可以快速 、 高精度獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù) ， 可以對掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集 ， 從而達(dá)到高分辨率的目的 。 6）應(yīng)用廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)。由于其良好的技術(shù)特點(diǎn)，在工程建設(shè)各領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛。對使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適合野外測。 激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量技術(shù)的區(qū)別 激光掃描技術(shù)被譽(yù)為 “ 測繪領(lǐng)域繼 GPS 技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命 ”， 我們知道傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取主要包括兩類：一類是單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)的方法 ，如： GPS 高精度定位 、 三維坐標(biāo)測量機(jī) 、 全站儀系統(tǒng)等等 ； 基于光學(xué)攝影測量原理的近景攝影測量 、 航空攝影測量等；另一類是面采集方法，即通過對攝影測量、遙感獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這種方法雖能一次性獲取大量點(diǎn)的空間信息，但必須花大量時間處理影像。地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為空間信息獲取提供了新的手段。 同傳統(tǒng)的測量手段相比，激光掃描技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢：數(shù)據(jù)獲取速度快，實時性強(qiáng)；數(shù)據(jù)量大，能詳細(xì)描繪物體的細(xì)節(jié)；主動性強(qiáng)，能 全天候工作；全數(shù)字特征，信息傳輸、加工、表達(dá)容易；操作方便，掃描時由軟件控制儀器工作。該技術(shù)能迅速描繪和量化復(fù)雜環(huán)境，實現(xiàn)了實時獲取空間立體數(shù)據(jù)的革命性飛躍，在國外一些國家和地區(qū)己經(jīng)發(fā)展成熟，尤其是在考古測量和工業(yè)測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。