【正文】 θ圖 朗伯余弦定律示意圖三維激光掃描點云的精度與物體表面的粗糙程度有密切關(guān)系。如果輻射強度分布曲線接近圖 所示的形狀，我們就可以認為它是一個朗伯面。一個理想的漫反射體，其輻射亮度是一個與方向無關(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。 目標物體反射表面粗糙程度的影響激光掃描到物體表面的時候會發(fā)生反射，反射分為鏡面反射和漫反射兩種。所謂點云厚度是指在某一平面上掃描的所有點到該擬合平面的平均距離。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量的影響。激光測距誤差的綜合體現(xiàn)為測距中的固定誤差和比例誤差兩部分，通過儀器檢定可以確定測距誤差的大小。儀器誤差是儀器本身性能上缺陷造成的測量誤差，主要包括激光測距的誤差和掃描角度測量的誤差；與目標物體反射面有關(guān)的誤差主要包括目標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。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。Office Survey 模塊可以進行點云多種處理分析。三維激光掃描儀在任意架站進行掃描時，每站測量都是以掃描儀位置為原點的獨立坐標系，如果多站掃描同一目標，那么每個測站的點云數(shù)據(jù)也是獨立的，這就需要點云配準，Registration 模塊可以實現(xiàn)多站數(shù)據(jù)配準，在配準模塊中，點云的配準方法有基于點云的配準和基于目標的配準。表 22 Point Scape 軟件功能選項 功能測量校正 電子整平、雙軸補償、大氣改正矩形取景攝像機縮放控制取景球型目標、平面目標和單點測量預(yù)先設(shè)置或者定制掃描設(shè)置返回密度或彩色點云掃描選項預(yù)估掃描時間和分辨率控制現(xiàn)場錄像 自動全景 自動掃描成像 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 平面目標和球形目標自動配準 實時 3D 顯示、拖動和縮放點云 顯示掃描位置 真彩色或者點云密度圖形顯示 模擬的表面底色和環(huán)境光線 其他選項觀測值和反向計算 (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特的三大模塊：Registration(配準)模塊、Office Survey 模塊和 Modeling(建模)模塊。②存儲溫度：20℃50℃。②電源：尺寸為 169 深65 寬 高 mm，重量 。③光學(xué)技術(shù)：專利的掃描光學(xué)技術(shù)，Ⅲ級激光。(2) 系統(tǒng)指標①激光類型：脈沖為 532nm 的綠色激光。⑦儀器整平：三角基座中的水準管精度為 8′，雙軸補償器補償 6′，儀器實時自動整平補償。④單點精度：100m 處單點定位精度為 12mm。 圖 Trimble GXTM 三維激光掃描儀 圖 Trimble GXTM 三維激光掃描平面標靶掃描儀具體指標可以分為技術(shù)指標、系統(tǒng)指標、物理指標和環(huán)境指標四個方面。(3) 三角測量原理三角測量就是通過三角幾何關(guān)系求得掃描中心到目標的距離，三角構(gòu)成是：激光發(fā)射器、目標反射點和數(shù)碼相機感光元件 CCD 的接收位置。目標物棱鏡 激 光 發(fā) 射 器 /接 收 器圖 脈沖測距原理(2) 相位式測量原理相位式測距是通過間接的方式測出激光由發(fā)射到返回的時間，原理是通過用無線電波段的頻率對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，然后根據(jù)調(diào)制光的波長換算出相位延遲所代表的距離。(1) 脈沖式測量原理脈沖式測距也稱為時間漂移測距，其測程大于 100m，采樣速率 1000 點/ 秒以上。目前常用掃描方式通常有三種模式：線掃描模式、圓錐掃描模式、纖維掃描模式。(2) 激光掃描系統(tǒng)激光掃描用的最多的是光機掃描、電鏡掃描、多棱鏡掃描和全息光柵掃描技術(shù)。③時延估計，對不規(guī)則的激光回波信號進行相應(yīng)相關(guān)處理，精確地確定對目標測距的時延，生成回波脈沖信號，以該脈沖信號的前沿代表接收到目標物體回波信號的時刻。目前，測繪領(lǐng)域所使用的三維激光掃描儀，多數(shù)是基于 TOF 脈沖測距法。7(100m 處) 11000 Ⅰ (a)Leica HDS3000 (b) Trimble GX3D (c) Faro Photon80 (d) Riegl VZ400 (e)Optech ILRIS圖 幾種典型的三維激光掃描儀如圖 為幾種典型的三維激光掃描儀實體照片。 120220 ⅢILRIS3D/3DVP 脈沖 31500 4040177。 120220 ⅢLS840/880 相位 80 177。 11000 ⅠVZ400 脈沖 1500 360100 177。 12022 ⅠLPM321 脈沖 1200 360150 177。1″ 15 LPM2K 脈沖 22022 360190 177。6 (50m 處) 177。12″ 50000 ⅢMensiS10/S25 三角10/25 32046 177。350 微弧 500000 ⅢHDS6000 相位 179 360310 177。60 微弧 1000 ⅢHDS3000 脈沖 210 360270 177。 (a) (b) (c)圖 激光光束發(fā)射方式分類 地面三維激光掃描儀性能指標目前，三維激光掃描儀的主要生產(chǎn)商有瑞士的 Leica 公司、美國的 Trimble公司和 Faro 公司、加拿大的 Optech 公司、奧地利的 Riegl 公司等，他們所生產(chǎn)的多種不同類型三維激光掃描儀器的主要技術(shù)指標見表 21。②三角法掃描儀。適用于近距離測量，測量范圍在幾米到數(shù)十米內(nèi)，它的測量精度可以達到亞毫米級。適用于中程距離測量，掃描范圍通常限制在 100m 內(nèi)，它的測量精度可以達到毫米級。TOF 原理的測距系統(tǒng)測距范圍可以達到幾百米，甚至上千米，其相對測量精度較低。③長距離激光掃描儀。(3) 按照測程劃分①短距離激光掃描儀。代表儀器有 Imager5003 掃描系統(tǒng)。此類型的掃描系統(tǒng)類似于攝影測量的相機，掃描視場有限。測量精度為毫米級，主要用于測量地形以及構(gòu)筑物。 地面三維激光掃描系統(tǒng)分類及性能指標 地面三維激光掃描系統(tǒng)分類依據(jù)掃描的空間位置或系統(tǒng)運行平臺來劃分三維激光掃描系統(tǒng)可分為三類：機載型激光掃描系統(tǒng)、手持型激光掃描系統(tǒng)和地面型激光掃描系統(tǒng)。(4) 第四章研究橋梁監(jiān)測中變形量提取方法，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 配準算法進行根據(jù)多期數(shù)據(jù)配準，實現(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與距離閾值判定方程。基于三維激光掃描的橋梁監(jiān)測方法研究Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)介紹影響點云精度的因素分析橋梁監(jiān)測方案設(shè)計系統(tǒng)組成及指標 系統(tǒng)配套軟件 系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式監(jiān)測點云數(shù)據(jù)預(yù)處理 點云數(shù)據(jù)去噪 特征點坐標轉(zhuǎn)換點云數(shù)據(jù)配準總結(jié)展望基于點云的配準基于目標的配準橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取 基于大地坐標的配準變形分析、提取研究國內(nèi)外研究現(xiàn)狀曲面擬合法 ICP配準算法實驗驗證與分析GPS基準點獲取控制網(wǎng)測量 點云數(shù)據(jù)獲取掃描系統(tǒng)分類 典型儀器指標 掃描系統(tǒng)原理 掃描距離與角度 點云亮度與厚度 目標反射特性 邊緣效應(yīng)影響 激光光束不均勻 溫度氣壓等影響地面三維激光掃描系統(tǒng)介紹圖 基于三維激光掃描的橋梁監(jiān)測技術(shù)路線 論文組織結(jié)構(gòu)本文的章節(jié)安排如下：(1) 第一章闡述了三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測方面的研究背景和研究意義，針對國內(nèi)外三維激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)處理和變形監(jiān)測應(yīng)用方面的研究現(xiàn)狀，分析了研究的不足之處及有待解決的問題，提出本文的研究目標、研究內(nèi)容以及技術(shù)路線。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括點云去噪、特征點坐標轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)配準三個方面。(2) 對目前各種不同類型的地面三維激光掃描儀進行了詳細分類，介紹了5 種廠家生產(chǎn)的 22 種不同類型的儀器性能指標，闡述了三維激光掃描儀工作原理；詳細介紹了論文研究所使用的實驗儀器 Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)組成、性能參數(shù)、數(shù)據(jù)處理軟件以及支持的數(shù)據(jù)格式。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(zhì)量改善方法、變形監(jiān)測方案設(shè)計、點云數(shù)據(jù)的獲取方法、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理以及變形量提取方法研究等。(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(yù)測變形需要進一步探討。 當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)測方面的研究還較薄弱，通過對國內(nèi)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。在變形監(jiān)測應(yīng)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(jié)構(gòu)和軌道變形的力學(xué)分析，從而達到了解地鐵變形機理、掌握形變規(guī)律、預(yù)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(shù)在變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性、技術(shù)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(shù)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(shè)計數(shù)據(jù)的比較，確定了其變形誤差的大小。(2) 變形監(jiān)測應(yīng)用方面在國外，三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測方面應(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(jié)構(gòu)以及木質(zhì)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(shù)人員應(yīng)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(jié)果和良好的經(jīng)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(zhì)量分析后，將其應(yīng)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(shù)制定了測量方案，在隧道多個位置設(shè)定球形標靶進行掃描建立隧道模型，將隧道不同側(cè)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(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(shè)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(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行變形研究，實驗采用十種不同形狀、不同材質(zhì)的變形標靶分析了變形分析精度在 1cm 以內(nèi)，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(shù)研究，利用 Trimble GX200 三維激光掃描儀結(jié)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(yù)測，取得一定成果。地面三維激光掃描系統(tǒng)作為一種全新的測繪技術(shù),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(lǐng)域得到了關(guān)注和重視。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(yīng)用目前在我國屬薄弱領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)作為現(xiàn)代高精度傳感技術(shù)成功地解決了傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)采集量少、數(shù)據(jù)不全面等問題，它可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進行掃描操作，并直接將各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則、標準或非標準等實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，從而快速重構(gòu)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。