【正文】 ...............................................57 ICP 配準(zhǔn)精度指標(biāo) .........................................................................................................60 變形量距離閾值判定 ....................................................................................................60 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ................................................................................................................61 本章小結(jié) ...............................................................................................................................64第五章 結(jié)論與展望 ....................................................................................................65 結(jié)論 .......................................................................................................................................65 展望 .......................................................................................................................................65參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................67致 謝 ............................................................................................................................72附 錄 ............................................................................................................................73第一章 緒論 課題研究背景及意義隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷提高和科技水平的日益飛躍，我國(guó)的橋梁建設(shè)也到了一個(gè)迅猛發(fā)展的階段。這些特大型橋梁的建設(shè)技術(shù)先進(jìn)、規(guī)模大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高。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。國(guó)內(nèi)專家認(rèn)為超過(guò) 25 年以上的橋梁屬于“老齡”橋梁，據(jù)此，我國(guó) 40%的橋梁已進(jìn)入老化期，其數(shù)量隨時(shí)間推移還在不斷增加。橋梁變形監(jiān)測(cè)方面，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)連續(xù)和定期的單點(diǎn)觀測(cè)，對(duì)多期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，完成對(duì)工程安全性的確定，通過(guò)對(duì)離散監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化分析，做出安全與評(píng)價(jià)，其結(jié)論可能存在較多的片面性和不確定性。單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)方法效率低、復(fù)雜場(chǎng)地工作時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)需要海量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)面、實(shí)體描述難以詳盡，而利用光學(xué)攝影測(cè)量原理使用軟件對(duì)數(shù)據(jù)圖像推擬獲取實(shí)體三維數(shù)據(jù)模型的方法，由于采集數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備限制及后期數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等原因，存在操作繁瑣、誤差較大以及欠穩(wěn)定等問(wèn)題。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)。與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)不同，它主要面向高精度逆向工程的三維建模與重構(gòu)。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(wèn)題，它可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)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(biāo)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(shí)，它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行多種后處理工作，如測(cè)繪、計(jì)量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等。上述表明三維激光掃描技術(shù)在大型構(gòu)筑物的檢測(cè)建模方面有重要的使用價(jià)值和實(shí)現(xiàn)可行性。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。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀變形監(jiān)測(cè)又稱變形觀測(cè)或形變測(cè)量，就是利用測(cè)量與專用儀器和方法對(duì)變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)視觀測(cè)的工作，變形監(jiān)測(cè)的任務(wù)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(shí)間特征，變形監(jiān)測(cè)的首要目地是要掌握變形體的實(shí)際性狀，為判斷其安全提供必要的信息 [1]。地面三維激光掃描系統(tǒng)作為一種全新的測(cè)繪技術(shù),具有許多新的特性及功能，它以獨(dú)特的免棱鏡方式測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)，具有高精度、高密度、高速度、高時(shí)間分辨率以及高空間分辨率等優(yōu)越特點(diǎn)，使得三維激光掃描在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了關(guān)注和重視。 國(guó)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(cè)量原理基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了影響其測(cè)量精度的幾個(gè)主要因素，包括：被測(cè)物體表面的光學(xué)性能、物體表面傾斜、光學(xué)系統(tǒng)畸變及散斑等方面，針對(duì)大范圍測(cè)量時(shí)光斑圖像占用多個(gè)像素及諸多因素造成的光斑圖像強(qiáng)度分布不均以致于很難讀取真正光斑幾何中心的問(wèn)題，提出了一種基于Hough 變換的光斑中心提取方法，實(shí)驗(yàn)表明該方法可以提高大型曲面測(cè)量的精度；2022 年 Wu Jianfeng[3]等人通過(guò)研究認(rèn)為激光三角法測(cè)量是三維曲面非接觸測(cè)量的主要方法，其測(cè)量精度受到本身結(jié)構(gòu)和被測(cè)物體特性及環(huán)境因素等多方面的影響，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)影響激光三角法測(cè)距精度的各種原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并針對(duì)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(xì)研究了脈沖式地面激光掃描儀的誤差來(lái)源，他將誤差來(lái)源分為：儀器誤差、與目標(biāo)有關(guān)的誤差、環(huán)境誤差以及算法誤差四種，通過(guò)實(shí)驗(yàn)詳細(xì)分析了各類誤差的影響程度，并給出了誤差模型。(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(kāi)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。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)處理以及在變形監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用進(jìn)行了研究。在變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面，邱冬煒 [28]等人針對(duì)城市地鐵變形特點(diǎn)提出了一種整體監(jiān)測(cè)城市地鐵隧道變形的方法，在不中斷地鐵正常運(yùn)營(yíng)的情況下，得到地鐵整個(gè)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(jìn)行了隧道結(jié)構(gòu)和軌道變形的力學(xué)分析，從而達(dá)到了解地鐵變形機(jī)理、掌握形變規(guī)律、預(yù)測(cè)形變趨勢(shì)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(xì)分析了三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)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(cè)方法基本理論；譚國(guó)銓 [31]通過(guò)使用三維激光掃描儀對(duì)電廠冷卻塔進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)了掃描數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的比較，確定了其變形誤差的大小。劉杰 [33]等人針對(duì)地面三維激光技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了地面激光掃描測(cè)量的原理、數(shù)據(jù)后處理方法、變形監(jiān)測(cè)方案等，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取高層建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，比較分析了三維激光掃描對(duì)于不同材質(zhì)和不同測(cè)量距離的變形監(jiān)測(cè)效果，從而研究了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的可行性、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題。 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(kāi)，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) 以三維激光掃描儀為工具的變形監(jiān)測(cè)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的操作步驟和流程，因此對(duì)特大構(gòu)筑物進(jìn)行精密變形監(jiān)測(cè)，全面的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步展開(kāi)研究。(4) 在變形監(jiān)測(cè)中，如何正確、準(zhǔn)確地提取變形是一項(xiàng)重要的環(huán)節(jié)，相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的高精度性，怎樣利用其獨(dú)特的整體分析的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)變形需要進(jìn)一步探討。(5) 三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)方面缺乏成熟的體系，研究并建立完善的監(jiān)測(cè)體系，使三維激光掃描技術(shù)廣泛地在工程中得到應(yīng)用，仍然是當(dāng)今研究的課題。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。橋梁變形方面，提出監(jiān)測(cè)方案，獲取多期橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)去噪、配準(zhǔn)后，重點(diǎn)研究了橋梁形態(tài)變形分析方法，通過(guò)曲面擬合以及 ICP 配準(zhǔn)算法分析并提取變形量，實(shí)現(xiàn)整體性分析橋梁變形過(guò)程。(2) 對(duì)目前各種不同類型的地面三維激光掃描儀進(jìn)行了詳細(xì)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(biāo)，闡述了三維激光掃描儀工作原理；詳細(xì)介紹了論文研究所使用的實(shí)驗(yàn)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。(4) 針對(duì)橋梁變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)變形監(jiān)測(cè)方案，研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。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。研究基于 ICP 配準(zhǔn)算法的變形量提取方法?；谌S激光掃描的橋梁監(jiān)測(cè)方法研究Trimble GXTM 三維激光掃描系統(tǒng)介紹影響點(diǎn)云精度的因素分析橋梁監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成及指標(biāo) 系統(tǒng)配套軟件 系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式監(jiān)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪 特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)總結(jié)展望基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)基于目標(biāo)的配準(zhǔn)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取 基于大地坐標(biāo)的配準(zhǔn)變形分析、提取研究國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀曲面擬合法 ICP配準(zhǔn)算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析GPS基準(zhǔn)點(diǎn)獲取控制網(wǎng)測(cè)量 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取掃描系統(tǒng)分類 典型儀器指標(biāo) 掃描系統(tǒng)原理 掃描距離與角度 點(diǎn)云亮度與厚度 目標(biāo)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(cè)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(cè)方面的研究背景和研究意義，針對(duì)國(guó)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(cè)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(wèn)題，提出本文的研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容以及技術(shù)路線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出最佳獲取點(diǎn)云途徑，為高精度的監(jiān)測(cè)做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。(4) 第四章研究橋梁監(jiān)測(cè)中變