【正文】 ，改善測量數(shù)據(jù)質(zhì)量。橋梁變形方面，提出監(jiān)測方案，獲取多期橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過數(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程。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)。(2) 對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。(3) 對影響點(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。(4) 針對橋梁變形監(jiān)測設(shè)計(jì)變形監(jiān)測方案，研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。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)。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。(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。研究基于 ICP 配準(zhǔn)算法的變形量提取方法。 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?；谌S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(diǎn)云精度的因素分析橋梁監(jiān)測方案設(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(biāo)、研究內(nèi)容以及技術(shù)路線。(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、篩選點(diǎn)云灰度等方法。通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出最佳獲取點(diǎn)云途徑，為高精度的監(jiān)測做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。(3) 第三章橋梁變形監(jiān)測方案設(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)。(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(zhǔn)算法進(jìn)行根據(jù)多期數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，實(shí)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(biāo)與距離閾值判定方程。(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。第二章 三維激光掃描系統(tǒng)及影響點(diǎn)云精度因素分析三維激光掃描技術(shù)是繼 GPS(Global Position System)之后的又一次技術(shù)革命，當(dāng)今隨著三維激光掃描技術(shù)的高速發(fā)展，不同類型的三維激光掃描儀也相繼被生產(chǎn)出來，它們在種類、功能、性能指標(biāo)等方面各有差異，如何對煩雜多樣的激光掃描儀根據(jù)不同的應(yīng)用目的進(jìn)行正確認(rèn)識和客觀選擇至關(guān)重要，所以對三維激光掃描儀的分類勢在必行。三維激光掃描系統(tǒng)原理主要是依據(jù)測距原理來劃分的，包括：脈沖式、三角測量式以及相位式，其中脈沖式三維激光掃描儀在測繪領(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，面對諸多影響點(diǎn)云精度因素必須加以分析研究。 地面三維激光掃描系統(tǒng)分類及性能指標(biāo) 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(yùn)行平臺來劃分三維激光掃描系統(tǒng)可分為三類：機(jī)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)。地面型激光掃描系統(tǒng)一般分為兩大類：移動式掃描系統(tǒng)和固定式掃描系統(tǒng)。依據(jù)本文研究重點(diǎn)，下面主要介紹固定式地面三維激光系統(tǒng)的分類 [34]。(1) 按照應(yīng)用范圍劃分①測量型激光掃描儀。測量精度為毫米級，主要用于測量地形以及構(gòu)筑物。②計(jì)量型激光掃描儀。測量精度優(yōu)于毫米，主要用于測量工業(yè)產(chǎn)品、精密部件等，也較多應(yīng)用于逆向工程。(2) 按照掃描系統(tǒng)成像方式劃分①攝影式掃描系統(tǒng)。此類型的掃描系統(tǒng)類似于攝影測量的相機(jī)，掃描視場有限。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，對于長距離的掃描優(yōu)勢明顯。②全景式掃描系統(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 Imager5003 掃描系統(tǒng)。③混合型掃描系統(tǒng)。此類掃描系統(tǒng)集成上述兩種掃描類型的優(yōu)點(diǎn)，在水平方向的軸系旋轉(zhuǎn)不受任何的限制，而垂直方向上的旋轉(zhuǎn)因鏡面翻轉(zhuǎn)的各有不同。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) 按照測程劃分①短距離激光掃描儀。最長測量距離為幾米。②中距離激光掃描儀。測量距離小于 100 米。③長距離激光掃描儀。測量距離大于 100 米。(4) 按照掃描系統(tǒng)測距原理劃分①脈沖測距原理(TOF)。TOF 又稱為時(shí)間漂移測距原理，是一種高速激光測時(shí)測距技術(shù)。TOF 原理的測距系統(tǒng)測距范圍可以達(dá)到幾百米，甚至上千米，其相對測量精度較低。Leica 公司的 HDS3000 高清晰測量系統(tǒng)是典型的這種類型的三維激光掃描系統(tǒng)。②相位測距原理(Phase difference)。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量方法。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(dá)到毫米級。Minolta 公司的 VIVID900 測量系統(tǒng)是典型的這種類型的三維激光掃描系統(tǒng)。③激光雷達(dá)或光學(xué)的三角測距原理(Optical triangulation，Laser Radar)。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。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(dá)到亞毫米級。Mensi 公司的 S10/S25 型測量系統(tǒng)是典型的這種類型的三維激光掃描系統(tǒng)。(5) 按照掃描儀激光光束的發(fā)射方式劃分①燈泡式掃描儀。如圖 (a)。②三角法掃描儀。三坐標(biāo)測量機(jī)就是基于這種原理，如圖 (b)。③扇型掃描儀。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)主動式的掃描系統(tǒng)都采用這種激光束發(fā)射方式，如圖(c)。 (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(biāo)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(biāo)見表 21。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)品型號掃描類型測距范圍(m)掃描視場(176。)單點(diǎn)測距精度(mm) 測角精度采樣率 (點(diǎn) /秒)激光級別HDS2500 脈沖 2100 4040 177。6（50m處） 177。60 微弧 1000 ⅢHDS3000 脈沖 210 360270 177。6（50m處） 177。60 微弧 4000 ⅢHDS4000 相位 125 360310 177。6（50m處） 177。350 微弧 500000 ⅢHDS6000 相位 179 360310 177。6（50m處） 177。25″ 500000 ⅢLeicaScanStation2 脈沖 2300 360270 177。6（50m處） 177。12″ 50000 ⅢMensiS10/S25 三角10/25 32046 177。ⅠGS100 脈沖 1100 36060 177。6 (50m 處) 177。6″ 5000 ⅡGS200 脈沖 1200 36060 177。6 (50m 處) 177。6″ 5000 ⅡGX3D 脈沖 1350 36060 177。12(100m 處) 12″(H)14″(V) 5000 ⅢTrimbleVX 脈沖 150 取決于取景窗口 177。10(150m) 177。1″ 15 LPM2K 脈沖 22022 360190 177。50 176。 3600 ⅠLMSZ210 脈沖 4400 36080 177。25 176。 12022 ⅠLPM321 脈沖 1200 360150 177。1525 176。 1000 ⅠRieglLMSZ620 脈沖 106000 36080 177。10 176。 11000 ⅠVZ400 脈沖 1500 360100 177。5 176。 12500 ⅠLS420 相位 360190 177。3(20m 處 ) 176。 120220 ⅢLS840/880 相位 80 177。3(25m 處 ) 176。 120220 ⅢFaroPhoton20/80 相位 150 177。2(25m 處 ) 176。 120220 ⅢILRIS3D/3DVP 脈沖 31500 4040177。7(100m 處) 3600 ⅠILRIS36D 脈沖 31500 360110 177。7(100m 處) 12022 ⅠILRIS3DER 脈沖 32022 4040 177。7(100m 處) 1000 ⅠOptechILRIS3DMC 脈沖 31500 4040 177。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(shí)體照片。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。 地面三維激光掃描系統(tǒng)原理 三維激光掃描系統(tǒng)的組成三維激光掃描系統(tǒng)組成包括：激光測距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)和支架系統(tǒng)三部分組成，同時(shí)也集成 CCD 數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。(1) 激光測距系統(tǒng)激光測距原理主要有脈沖測距法 TOF、基于相位測距法 (如：干涉測距法)、激光三角法三種基本類型。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。TOF 脈沖測距法是一種高速激光測時(shí)測距技術(shù)。TOF 測量技術(shù)的測距過程分為四個(gè)主要環(huán)節(jié)：①激光發(fā)射，一個(gè)激光脈沖發(fā)射體在觸發(fā)脈沖的作用下，激光發(fā)出一個(gè)極窄高速激光脈沖，通過掃描鏡的轉(zhuǎn)動并反射向物體，同時(shí)，激光信號被取樣而得到激光主波脈沖。②激光探測，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轉(zhuǎn)換為電信號。③時(shí)延估計(jì)，對不規(guī)則的激光回波信號進(jìn)行相應(yīng)相關(guān)處理，精確地確定對目標(biāo)測距的時(shí)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(biāo)物體回波信號的時(shí)刻。④時(shí)間延遲測量，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。干涉測距法(Interferometry)是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量方法。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。(2) 激光掃描系統(tǒng)激光掃描用的最多的是光機(jī)掃描、電鏡掃描、多棱鏡掃描和全息光柵掃描技術(shù)。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。三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射鏡的轉(zhuǎn)動并進(jìn)行精密光柵測角。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。目前常用掃描方式通