基于三維激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)方法研究

簡(jiǎn)銳敏

摘要：三維激光掃描技術(shù)不需要合作目標(biāo)就能自動(dòng)、快速、連續(xù)地對(duì)被掃描物體進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)，并能準(zhǔn)確生成三維立體模型，從而真實(shí)描述掃描對(duì)象的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)的片面性和局限性。本文以廣佛肇高速公路鼎湖山隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，介紹了三維激光掃描技術(shù)的原理方法，并與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，為三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的推廣應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;變形監(jiān)測(cè)：點(diǎn)云數(shù)據(jù)：噪聲點(diǎn)

1.引言

目前，常規(guī)的變形監(jiān)測(cè)手段主要是利用全站儀、GPS進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，即針對(duì)監(jiān)測(cè)體上的重要位置設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的方法。由于該種手段的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，測(cè)量值僅能代表局部變形的情況，難以反映出整個(gè)監(jiān)測(cè)體的變形特征和過(guò)程，而且在地形復(fù)雜地區(qū)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)十分困難，危險(xiǎn)系數(shù)非常大，不僅增加了外業(yè)工作量，獲取成果的周期又很長(zhǎng)，大大影響了變形監(jiān)測(cè)的效率。隨著三維激光掃描技術(shù)的日趨成熟，利用其高精度、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)成為一種良好的途徑，其不需要合作目標(biāo)就能自動(dòng)、快速、連續(xù)地對(duì)被掃描物體進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)，并能準(zhǔn)確生成三維立體模型，真實(shí)描述掃描對(duì)象的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性。

2.三維激光掃描技術(shù)原理分析

2.1三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是繼GPS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)之后興起的一項(xiàng)高新測(cè)量技術(shù)，它于20世紀(jì)90年代中期逐漸發(fā)展成熟，其原理和全站儀測(cè)距測(cè)角的原理類似，不同點(diǎn)在于三維激光掃描技術(shù)采用非接觸方式，通過(guò)發(fā)射高速激光束測(cè)量物體的表面信息，同時(shí)自動(dòng)記錄大量的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)計(jì)算可大面積、高分辨率地快速?gòu)?fù)建出被測(cè)物體的空間點(diǎn)位信息并構(gòu)建三維模型，因此它又被稱作為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。三維激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以掃描坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的，掃描坐標(biāo)系的定義為：以發(fā)射激光束處為該坐標(biāo)系原點(diǎn)，X軸為掃描儀水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸的零方向，Z軸為掃描儀水平時(shí)的天頂方向（理論豎直軸），Y軸與X軸、Z軸成右手坐標(biāo)關(guān)系，三維激光掃描技術(shù)測(cè)量原理如圖l所示。

圖l中a為掃描儀測(cè)量到的水平角，θ為掃描儀測(cè)量到的豎直角，S為坐標(biāo)原點(diǎn)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，那么就可以用式（1）來(lái)表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)在掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：

x=Scosθcosa

y=Seosθsina

z=Ssinθ

2.2數(shù)據(jù)采集方法

三維激光掃描儀采集目標(biāo)數(shù)據(jù)可以分為整體采集和局部采集兩種方法，整體采集時(shí)掃描儀采集事先布設(shè)的公共點(diǎn)或標(biāo)靶數(shù)據(jù)，再通過(guò)后處理軟件拼接測(cè)站，此方法可以整體掃描目標(biāo)物并獲取物體的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。局部采集是通過(guò)將三維激光掃描儀架設(shè)在基準(zhǔn)站上，再對(duì)特定的范圍進(jìn)行三維掃描，作業(yè)前應(yīng)參照現(xiàn)場(chǎng)的情況和儀器的性能參數(shù)，首先設(shè)計(jì)出基準(zhǔn)站間的距離以及掃描點(diǎn)的密度，以保證掃描點(diǎn)有一定的重疊度，基準(zhǔn)點(diǎn)再通過(guò)常規(guī)導(dǎo)線和水準(zhǔn)測(cè)量來(lái)傳遞三維坐標(biāo)。

2.3數(shù)據(jù)分析與處理

采用數(shù)據(jù)后處理軟件對(duì)三維激光掃描獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理，處理步驟主要包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、將點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模并進(jìn)行3D分析比較。

（1）當(dāng)采用整體采集的方法時(shí)，通過(guò)事先布設(shè)的公共點(diǎn)或標(biāo)靶進(jìn)行相鄰測(cè)站的拼接，這樣所有測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中。當(dāng)采用局部采集的方法時(shí)，各測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行拼接，這樣就可以避免由于拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差。（2）在三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)時(shí)，因某些原因，不可避免會(huì)產(chǎn)生一些沒(méi)用的噪聲數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，并減少數(shù)據(jù)冗余量。（3）在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描作業(yè)時(shí)，利用GPS聯(lián)測(cè)三個(gè)或三個(gè)以上已知點(diǎn)，將三維掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，這樣就把掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一在相同的坐標(biāo)系中，為后期進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和三維建模提供方便。（4）通過(guò)后處理軟件分析比較掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用不同的顏色來(lái)直觀的顯示出變形區(qū)域，可從宏觀方面開(kāi)展變形分析。（5）提取不同監(jiān)測(cè)時(shí)期的標(biāo)靶中心以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過(guò)計(jì)算相鄰兩期坐標(biāo)值的較差來(lái)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移變化以及垂直位移變化，方便從微觀方面開(kāi)展變形分析。 3.實(shí)例分析 以廣佛肇高速公路鼎湖山隧道變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，采用瑞士徠卡ScanStation2三維激光掃描儀進(jìn)行本次監(jiān)測(cè)，該掃描儀每秒最大掃描976000點(diǎn)，25m范圍內(nèi)的系統(tǒng)距離誤差小于±2mm。主要作業(yè)步驟包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和處理兩個(gè)方面，其中，關(guān)鍵是利用eyelone5.8軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及GeomagieStudio軟件開(kāi)展變形宏觀及微觀分析。

3.1采用三維激光掃描儀變形監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目采用整體采集的方法，將三維激光掃描儀的質(zhì)量設(shè)定為4X，分辨率設(shè)定為1/5，考慮到采集精度和有效作業(yè)距離，相鄰測(cè)站間距設(shè)定為30m左右，以同樣的參數(shù)和方法分別采集了三期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并利用eyelone5.8后處理軟件進(jìn)行測(cè)站拼接，并剔除一些沒(méi)用的噪音數(shù)據(jù)，處理完成后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出為文本格式，再利用GeomagieStudio軟件將三期采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別進(jìn)行三維建模（如圖2所示），建成的三維模型再進(jìn)行3D模擬對(duì)比分析，即將前后兩期的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行配對(duì)比較，在模型上計(jì)算出兩個(gè)模型之間的差值，此差值即為監(jiān)測(cè)體的變形量，再利用不同的顏色將變形部位顯示出來(lái)，可從宏觀及微觀兩方面進(jìn)行變形分析。通過(guò)對(duì)比分析得出，整個(gè)隧道的水平位移平均值為7.lmm，累計(jì)沉降平均值為7.3mm。

3.2采用傳統(tǒng)方法變形監(jiān)測(cè)

為了驗(yàn)證三維激光掃描儀的監(jiān)測(cè)精度，我們采用全站儀和四等水準(zhǔn)測(cè)量的傳統(tǒng)方法對(duì)布設(shè)的6個(gè)公共點(diǎn)和標(biāo)靶點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行了三期監(jiān)測(cè)，原理方法不做贅述。監(jiān)測(cè)成果如表1所示。

3.3數(shù)據(jù)分析比對(duì)

從表l數(shù)據(jù)可以看出，利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)的6個(gè)公共點(diǎn)和標(biāo)靶點(diǎn)的水平位移平均值為7.7mm，累計(jì)沉降平均值6.2mm，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，兩種方法監(jiān)測(cè)的水平位移差值只有0.6mm、累計(jì)沉降差值只有l(wèi).lmm，監(jiān)測(cè)精度完全滿足要求。通過(guò)本次監(jiān)測(cè)，可以得出：本次監(jiān)測(cè)的水平位移量和累計(jì)沉降量都在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，且區(qū)間的變形趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.結(jié)語(yǔ)

（1）與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法相比，基于三維激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)在數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理的方法上都有著本質(zhì)的不同，其具有采樣速度快、高精度、高分辨率、整體監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，極大地提高了監(jiān)測(cè)工作的效率，同時(shí)也改善了監(jiān)測(cè)人員的作業(yè)環(huán)境。（2）三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的不足之處：在變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，三維激光掃描儀與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間仍需通視，基準(zhǔn)站設(shè)置的自由度不高;采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中含有大量的噪聲點(diǎn)，影響了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。相信隨著變形監(jiān)測(cè)理論的不斷發(fā)展和完善，再有效結(jié)合InSAR等新技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域必將具有良好的應(yīng)用前景。

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