【正文】 由于三維激光回波信號(hào)具有多值性的特點(diǎn)，有些三維激光掃描系統(tǒng)只能處理首次反射回來的回波信號(hào)，有些三維激光掃描系統(tǒng)只能處理最遲反射回來的回波信號(hào)，也有一些三維激光掃描系統(tǒng)能夠綜合處理首次和最遲反射回來的回波信號(hào)。200。故當(dāng)入射光功率一定時(shí)，被測(cè)物表面反光性能越好，儀器接收到的激光功率越大，信噪比越高，測(cè)量精度越高。為了確定一個(gè)漫反射面接近理想朗伯面的程度，通?？梢詼y(cè)量其輻射強(qiáng)度分布曲線。這個(gè)規(guī)律就稱為朗伯余弦定律 [36]。對(duì)于理想的漫反射體，它遵循朗伯余弦定律。當(dāng)光線入射到光滑物體表面時(shí)，光線定向反射出去，這種反射稱之為鏡面反射。理論上，亮度值越高，點(diǎn)的質(zhì)量越好；亮度越低，點(diǎn)的質(zhì)量越低。點(diǎn)云厚度與測(cè)量精度成線性關(guān)系，點(diǎn)云厚度越厚，說明點(diǎn)云測(cè)量的質(zhì)量越低；點(diǎn)云厚度越薄，則說明點(diǎn)云測(cè)量的質(zhì)量越高。k 點(diǎn)云厚度與亮度影響從理論上來講，在平面上掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過平面擬合應(yīng)該是一個(gè)平面，然而，在實(shí)際掃描過程中，由于測(cè)量誤差的存在，在平面掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是存在一定的厚度的。掃描角度引起的誤差是掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的微小震動(dòng)、掃描儀的非均勻轉(zhuǎn)動(dòng)控制誤差等因素的綜合影響。掃描角的誤差是一種特別的誤差，掃描角誤差對(duì)掃描點(diǎn)的影響隨距離增大而增大。確定儀器誤差可以判斷儀器的穩(wěn)定性，在使用三維激光掃描儀過程中，一般根據(jù)掃描儀規(guī)定的測(cè)程來制定掃描距離，理論上認(rèn)為掃描距離越小，激光在介質(zhì)中傳播距離越短，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量越優(yōu)越。脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差造成循環(huán)、混淆現(xiàn)象與測(cè)距的凸角誤差相類似，測(cè)距技術(shù)中不確定間隔更可能造成數(shù)據(jù)突變，目前可運(yùn)用一些較好的技術(shù)(如頻率倍乘、微調(diào))處理這種突變的誤差。下面詳細(xì)分析對(duì)在數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)處理過程中對(duì)點(diǎn)云精度影響較為普遍的各項(xiàng)因素。三維激光腳點(diǎn)測(cè)量誤差的影響因素較多，大致可分為三類：儀器誤差、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件的影響。 影響點(diǎn)云精度因素分析影響點(diǎn)云精度的因素很多，從誤差的角度來看，地面三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩種類型。 Trimble GXTM 三維激光掃描數(shù)據(jù)格式Trimble GXTM 三維激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)中不但包括點(diǎn)云 、 、 三維XYZ坐標(biāo)，還包括亮度信息 、色彩信息 、 、 以及在各坐標(biāo)軸方向的法向量IRGB、 、 。主要功能有：平面切割、面與面檢測(cè)、面與模型檢測(cè)、面與曲線檢測(cè)、生成等值線、縱橫切面分析、多義線繪圖、2 維多義線檢測(cè)、容積計(jì)算、擬合、創(chuàng)建三角網(wǎng)、正射(多面)投影、圖像校準(zhǔn)投影等。最后可以導(dǎo)出配準(zhǔn)報(bào)告?；邳c(diǎn)云的配準(zhǔn)方法是選取兩站數(shù)據(jù)，在兩幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)中手動(dòng)選取 3 個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)；基于目標(biāo)的配準(zhǔn)方法是把兩站或多站點(diǎn)云中共同的平面或者球形標(biāo)靶進(jìn)行匹配。Registration(配準(zhǔn))模塊功能是將采集到的不同測(cè)站點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)。它能夠配準(zhǔn)、觀察、探測(cè)、處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，融合了許多精密工具，可用于特征建模和特征授權(quán)，適合于民用測(cè)量、建筑、遺產(chǎn)和法庭應(yīng)用，另外也可以應(yīng)用于地理空間行業(yè)的許多不同的領(lǐng)域。(1) Trimble Point Scape 軟件Point Scape 是控制 Trimble GXTM 三維激光掃描儀外業(yè)獲取數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件，它可以在筆記本電腦或 Pocket PC 運(yùn)行，具有許多先進(jìn)的掃描功能，表 22 列出了一些常用的功能。③光線限制：可以在各種光線下操作。(4) 環(huán)境指標(biāo)①操作溫度：0℃40℃。③運(yùn)輸箱：尺寸 645 深490 寬435 高 mm，重量 。(3) 物理指標(biāo)①掃描儀：尺寸為 323 深343 寬404 高 mm，重量 ，功耗小于100w。④文件傳輸：USB 連接到外接設(shè)備。 。②視野范圍：360176。⑩掃描點(diǎn)間距：5m 時(shí)可達(dá) ，15m 時(shí)可達(dá) ，25m 時(shí)可達(dá)，100m 時(shí)可達(dá) 。⑧數(shù)據(jù)完好性：實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償以及大氣自動(dòng)改正。2mm(取決于建模方法)。⑤測(cè)角精度：水平角為 12″，豎直角為 14″。③掃描標(biāo)準(zhǔn)差：掃描距離小于 50 米時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為 ，掃描距離 50m100m 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為 ，掃描距離 100m150m 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為 ，掃描距離150m200m 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為 。(1) 技術(shù)指標(biāo)①測(cè)量距離：標(biāo)準(zhǔn)模式 200m，加長模式可達(dá) 350m(Over Scan)。Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描儀主機(jī)(圖 )、基座、控制器(筆記本電腦或掌上電腦(Pocket PC 機(jī)))、連接掃描儀和數(shù)據(jù)控制器的以太網(wǎng)電纜、電源供應(yīng)系統(tǒng)(包括電源連線、電池模塊和交流變壓器以及帶有 AC 電纜的超緊湊式供電電源)、掃描儀配套軟件系統(tǒng)(RealWorks Survey 和 Point Scape)以及平面標(biāo)靶組成( 圖 )。通過計(jì)算發(fā)射到目標(biāo)的激光信號(hào)與反射到 CCD 的激光信號(hào)之間的夾角以及激光發(fā)射器與CCD 之間的基線長度，從而可以得出激光發(fā)射源到目標(biāo)的距離，如圖 所示。從式子(23)可知，只要確定發(fā)射和接受信號(hào)的相位差便能求出被測(cè)目標(biāo)到激光源的距離。相位法測(cè)距的公式為： (23)???????fcD??2式中， 為檢測(cè)的相位差， 為光速， 為填充脈沖的頻率。Dc只要準(zhǔn)確計(jì)算出激光脈沖信號(hào)在通過被測(cè)物體上的往返時(shí)間差，就可以求出被測(cè)物體到激光發(fā)射點(diǎn)的距離，如圖 所示。脈沖式激光測(cè)距一般不使用合作目標(biāo)，而是通過被測(cè)物體對(duì)激光的漫反射獲取反射信號(hào)來進(jìn)行距離測(cè)量。由此可得到三維XZ激光腳點(diǎn) 的坐標(biāo) 坐標(biāo)，計(jì)算公式如下：P),Y (21)???????sincoSZXXYP(,YZ)?圖 三維激光腳點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算三維激光掃描依據(jù)測(cè)距原理不同主要分為脈沖式、三角測(cè)量式、相位式三種，下面分別介紹這幾種測(cè)距原理 [35]。(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。通過掃描系統(tǒng)可以使脈沖激光束在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。大范圍的掃描幅度、高精度的小角度掃描間隔及高幀頻成像技術(shù)是三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。激光三角法(Laser Triangulation)是利用立體相機(jī)和結(jié)構(gòu)化光源，通過獲得兩條光信息，建立立體投影關(guān)系。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。②激光探測(cè)，通過同一個(gè)掃描鏡和聚光透鏡收集經(jīng)過物體反射回來的激光回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。TOF 脈沖測(cè)距法是一種高速激光測(cè)時(shí)測(cè)距技術(shù)。(1) 激光測(cè)距系統(tǒng)激光測(cè)距原理主要有脈沖測(cè)距法 TOF、基于相位測(cè)距法 (如：干涉測(cè)距法)、激光三角法三種基本類型。其他生產(chǎn)地面三維激光掃描儀的廠家還有德國的 CALLIDUS、Z+F 以及 ArcTron；英國的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。7(100m 處) 1000 ⅠOptechILRIS3DMC 脈沖 31500 4040 177。7(100m 處) 3600 ⅠILRIS36D 脈沖 31500 360110 177。2(25m 處 ) 176。3(25m 處 ) 176。3(20m 處 ) 176。5 176。10 176。1525 176。25 176。50 176。10(150m) 177。6″ 5000 ⅡGX3D 脈沖 1350 36060 177。6″ 5000 ⅡGS200 脈沖 1200 36060 177。ⅠGS100 脈沖 1100 36060 177。6（50m處） 177。6（50m處） 177。6（50m處） 177。6（50m處） 177。6（50m處） 177。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。此種類型的掃描儀掃描點(diǎn)云的密度和準(zhǔn)確度都很高，目前多數(shù)主動(dòng)式的掃描系統(tǒng)都采用這種激光束發(fā)射方式，如圖(c)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就是基于這種原理，如圖 (b)。如圖 (a)。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)。利用立體相機(jī)和結(jié)構(gòu)化光源，通過獲得兩條光信息，建立立體投影關(guān)系。Minolta 公司的 VIVID900 測(cè)量系統(tǒng)是典型的這種類型的三維激光掃描系統(tǒng)。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(cè)量方法。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)。TOF 又稱為時(shí)間漂移測(cè)距原理，是一種高速激光測(cè)時(shí)測(cè)距技術(shù)。測(cè)量距離大于 100 米。測(cè)量距離小于 100 米。最長測(cè)量距離為幾米。代表儀器有 Trimble 公司的 GS200 掃描儀以及 RIEGL 公司的 LMS Z420 掃描儀。③混合型掃描系統(tǒng)。此類型的掃描儀適用于室內(nèi)掃描，例如數(shù)字化房屋、設(shè)備掃描等。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)于長距離的掃描優(yōu)勢(shì)明顯。(2) 按照掃描系統(tǒng)成像方式劃分①攝影式掃描系統(tǒng)。②計(jì)量型激光掃描儀。(1) 按照應(yīng)用范圍劃分①測(cè)量型激光掃描儀。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)。三維激光掃描系統(tǒng)原理主要是依據(jù)測(cè)距原理來劃分的，包括：脈沖式、三角測(cè)量式以及相位式，其中脈沖式三維激光掃描儀在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用較多，然而不論是何種類型的三維激光掃描儀，在測(cè)量過程中總是存在誤差：儀器誤差、系統(tǒng)誤差以及外界環(huán)境影響等，三維激光掃描技術(shù)誤差理論還沒形成一般的體系，面對(duì)諸多影響點(diǎn)云精度因素必須加以分析研究。(5) 第五章總結(jié)本文的研究工作，分析存在問題，展望本課題需要進(jìn)一步研究的工作及方向。(3) 第三章橋梁變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲預(yù)處理，研究分析了點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取后的預(yù)處理工作，主要包括點(diǎn)云去噪、特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及點(diǎn)云配準(zhǔn)；給出了左右手系坐標(biāo)換算方程，推導(dǎo)了特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法；詳細(xì)研究了點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪和海量點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，利用 RealWorks Survey 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)了海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)。(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。 本文技術(shù)路線根據(jù)本文的研究內(nèi)容，本文提出了基于三維激光掃描橋梁監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線，主要包括三維激光掃描系統(tǒng)介紹、數(shù)據(jù)質(zhì)量改善、變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及變形量提取等方面，具體如圖 所示。(5) 研究了橋梁變形量提取方法，通過編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面擬合、圓柱體表面擬合，推導(dǎo)了二次曲面擬合算法。數(shù)據(jù)獲取首先建立高精度的大地控制網(wǎng)，其次利用三維激光掃描儀采集橋梁不同部位數(shù)據(jù)。(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，并通過系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析結(jié)果。本文的主要內(nèi)容如下：(1) 在分析三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及在變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面的中外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，介紹了國內(nèi)外在三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面的研究現(xiàn)狀，分析研究的不足之處及有待解決的問題，闡述本文的研究目標(biāo)。本文通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了三維激光掃描儀在不同距離、不同角度、不同目標(biāo)反射體、不同目標(biāo)顏色等條件下測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣差別，得出最優(yōu)越的測(cè)量條件，改善測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量。 本文主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 本文研究內(nèi)容本文研究的目的是采用先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測(cè)。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) 在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方面，盡管國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多研究，但是針對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)這種結(jié)構(gòu)大、精度要求較高的特點(diǎn)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)，尤其是點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)分割、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)等方面還是重點(diǎn)研究內(nèi)容。(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(zhì)量的因素很多，而面對(duì)變形監(jiān)測(cè)高精度的要求，如何避免各方面的負(fù)面因素影響，改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要進(jìn)一步研究分析。此外，在 2022 年，北京徠卡測(cè)量系統(tǒng)人員與西安四維航測(cè)遙感中心的技術(shù)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(hào)坑，同時(shí)使用徠卡 Cyclone 三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件完成了整個(gè)兵馬俑二號(hào)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(shù)資料。趙群 [32]等人根據(jù)國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。數(shù)據(jù)處理方面，馬立廣 [22]系統(tǒng)地對(duì)地面三維激光進(jìn)行了分類，研究了三維激光掃描的誤差原理，對(duì)點(diǎn)云在邊緣信息提取、點(diǎn)云匹配以及點(diǎn)云建模對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索做了詳細(xì)介紹；朱凌 [23]等人分析了點(diǎn)云分辨率，主要研究了在點(diǎn)云分辨率中起主導(dǎo)作用的平面分辨率，得出了計(jì)算平面分辨率的理論公式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性；鄭德華 [24][26]對(duì)三維激光掃描的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，針對(duì)三維激光掃描誤差分析、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)縮減、數(shù)據(jù)分