三維激光掃描測量技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用

王 凱

（北京京密鴻圖測繪有限公司，北京 101500）

在20世紀末，國外開始興起三維激光掃描技術(shù)，其又被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”。具體來說，其指的是借助高速激光掃描測量的手段，以最快的速度去獲取目標的實際三維坐標數(shù)據(jù)，不受限于目標的大小和位置，得到的空間點位信息明確，達到的分辨率很高。而在國內(nèi)很多項目中都需要用到變形監(jiān)測，也就是借助一些特定的儀器以及手段來對可能發(fā)生變形的物體實施觀測，對于變形體的后續(xù)變形進度以及最終的變形結(jié)果做出預(yù)測，其最主要的目標就是要考慮外界多種因素的干擾，以最快的速度得到變形體的詳盡信息特征[1]。就目前而言，過往用于變形監(jiān)測中的方式常見的就是GPS或者是全站儀，然而這些測量方式都只能實現(xiàn)單一的監(jiān)測，需要提前找到目標物的核心觀測點，隨即展開監(jiān)測，隨后由采集得到的區(qū)部信息來進行整個目標物的預(yù)測。而不同于這兩種方式，三維激光掃描技術(shù)不需要提前設(shè)置核心觀測點，而是直接將觀測點設(shè)置成整個目標物質(zhì)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性。所以，將其用于國內(nèi)變形監(jiān)測項目中極具價值。

1 三維激光掃描測量技術(shù)的測量原理

想要讓三維激光掃描測量技術(shù)發(fā)揮出對應(yīng)的價值及優(yōu)勢，需要重點將其原理加以判斷，結(jié)合具體的運用方向進行分析，確保相應(yīng)的技術(shù)展示出最大優(yōu)勢。三維激光掃描測量技術(shù)主要囊括有下述幾個關(guān)鍵設(shè)備：首先就是三維激光掃描儀，其最大的作用就是可以對測量距離進行實時的把控，并根據(jù)實際需求一步步促使激光瞄準正確的方向并進行旋轉(zhuǎn)掃描，對于出現(xiàn)的方位偏差實時有效地調(diào)整。其次就是系統(tǒng)軟件，最后就是需要電源以及一些輔助的設(shè)備。具體來說，三維激光掃描測量技術(shù)借助水平方位偏轉(zhuǎn)控制器以及對應(yīng)的高度角偏轉(zhuǎn)控制器科學(xué)控制反射棱鏡的實際轉(zhuǎn)動，使得由激光測距系統(tǒng)發(fā)射的激光能夠順著不同的坐標軸實施移動并慢慢掃描測量。隨后借助測得的三維掃描儀中心到目標點的斜距、激光束水平方向偏轉(zhuǎn)角和豎直方向偏轉(zhuǎn)角來校準并計算激光腳點的實際三維坐標。全部目標物信息數(shù)據(jù)收集完成后，還需要將這些數(shù)據(jù)按照文件夾上傳到所需點云，最后以這些點云來描述所需的目標采樣結(jié)果。目前，該項技術(shù)被廣泛地運用，在生產(chǎn)以及生活等多個領(lǐng)域均可看到其身影，結(jié)合系統(tǒng)平臺運行的實際情況，可以將其劃分出不同類型，包含車載激光掃描技術(shù)以及便攜式激光掃描技術(shù)等。為了達到更加理想的應(yīng)用成效，需要對具體的技術(shù)原理詳細判斷，才能發(fā)揮出相關(guān)技術(shù)的最大利用價值。

2 三維激光掃描測量技術(shù)的測量誤差

作為一種新型技術(shù)，三維激光掃描測量技術(shù)備受關(guān)注，但是在其運用的過程中也易出現(xiàn)誤差問題，主要是多種因素的共同影響所致。需要正視相關(guān)誤差的存在，針對不同誤差展開分析，制定出科學(xué)的應(yīng)對策略，讓三維激光掃描測量技術(shù)的優(yōu)勢之處充分體現(xiàn)，保證達到最佳的使用效果[2]。

2.1 系統(tǒng)誤差

應(yīng)該明確相關(guān)技術(shù)運用中極易出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，這是需要重點考慮的問題之一，可以通過適宜的手段規(guī)范誤差處理的方式，保證提升相關(guān)技術(shù)應(yīng)用精準度。系統(tǒng)誤差，顧名思義，指的是由測量儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)老化或者是缺陷引起的，常見的誤差包括儀器內(nèi)部一些零件發(fā)生脫落，不同部件之間錯位，計時器顯示偏差，測量頻率誤差以及激光束發(fā)射位移等。系統(tǒng)誤差一般很難消除，但是可以借助提前設(shè)定好的改正模型來進行誤差的降低和削弱。

2.2 測量誤差

測量誤差的引發(fā)因素有很多。最常見的就是下述四種。首先就是測距出現(xiàn)的位移偏差?，F(xiàn)階段最常用到的激光測距手段主要為脈沖測距法以及相位測距法。使用前者進行測距時一定要注意儀器內(nèi)部也就是石英鐘的計時誤差，由于激光往返速度很快，計時的頻率往往要求很高，為此，一定要嚴格控制計時的準確性。使用后者來進行測距時則應(yīng)當關(guān)注調(diào)制激光束的電磁波頻率誤差。其次就是測角時出現(xiàn)的角度偏移誤差。測角囊括有豎直角以及水平方向的測量。而由于角度的不同，掃描鏡的位置旋轉(zhuǎn)難以固定，這就使得一些細微的角度無法被監(jiān)測到，繼而出現(xiàn)非均勻轉(zhuǎn)動誤差。再者就是與目標物質(zhì)自身特性相關(guān)聯(lián)的誤差。眾所周知，激光束指向目標表面之后，由于不同目標物質(zhì)的大小和形狀差異，對于儀器回收的信息會產(chǎn)生嚴重的干擾，這就使得測距結(jié)果準確性無法保證。加上不同物體構(gòu)成材料的差異性，目標物質(zhì)實際的傾斜角度等，激光的強度以及實際方向時常變化，所以，在具體應(yīng)用過程中，應(yīng)重點關(guān)注二者形成的夾角大小，在符合要求的基準上慢慢降低夾角大小。最后就是由于測量環(huán)境不同所形成的誤差。使用這項掃描技術(shù)時，實時的溫度變化會使得儀器出現(xiàn)形狀的差異，壓力則會使得儀器精準度受到破壞，不論是何種變化，都應(yīng)當在誤差的考慮范圍內(nèi)，并在數(shù)值穩(wěn)定時展開測量。

2.3 坐標配準誤差

坐標配準誤差，其一般出現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中。在進行不同點位掃描時，由于一些點位之間存在折疊，這就使得點位的坐標存在重復(fù)。而坐標配準則可以很好地解決這個問題，其可以將一些重復(fù)的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)錄入，也就是將這些信息進行標記，在后續(xù)處理時進行數(shù)據(jù)的剔除。使用不同的配準方法能夠直接影響到結(jié)果的準確度[3]。考察到點云的數(shù)量很多，即便是一些點位的名字相同，但是實際的信息差異依舊很大。所以應(yīng)當選取那些容易進行區(qū)別的點位，譬如邊角點或者是一些位置特殊的點。點云拼接一般需要按照下述步驟進行，首先應(yīng)當將相鄰的兩個點云實施配準，隨后再將另外一對相鄰的點云以同樣的方式實施配準，兩個組別可以同時進行，最終進行組別間的配準。此種方式能夠很好地降低直接配準所產(chǎn)生的誤差。

3 三維激光掃描測量技術(shù)在變形監(jiān)測中的優(yōu)劣

三維激光掃描測量技術(shù)的優(yōu)勢之處明顯，但是也有著相應(yīng)的劣勢，需要采取適宜方式進行分析，還需針對性的判斷，確保三維激光掃描測量手段發(fā)揮出最大的作用及價值，更好地服務(wù)于變形監(jiān)測工作。

3.1 優(yōu)勢

3.1.1 單點定位精度高

結(jié)合相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢之處加以分析，可以發(fā)現(xiàn)其單點定位精度能夠達到亞厘米級，在模型精度上也要高于該精度?，F(xiàn)階段，相關(guān)學(xué)者對此類技術(shù)是否適用于變形監(jiān)測中進行了細致研究，許多工作者也展開了更為細致的分析，落實了對應(yīng)試驗，結(jié)果證明三維激光掃描儀可以將傳統(tǒng)測量方式加以替代，順利完成變形觀測測量的任務(wù)。在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)時，應(yīng)該肯定這一方面的優(yōu)勢，也需通過更加合理的手段規(guī)范后續(xù)使用方法，避免使用方法不當，引起單點定位精度問題。

3.1.2 高效率采集點云數(shù)據(jù)

根據(jù)當前相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用情況分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描測量技術(shù)優(yōu)勢突出，對比于其他的變形監(jiān)測手段，該技術(shù)的效率較高，還能保證更高精度的采集點云數(shù)據(jù)，規(guī)避傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)的問題。通過適當?shù)脑O(shè)置監(jiān)測點，保證提升全面度，解決以往監(jiān)測方案的局部化和片面化問題。點云數(shù)據(jù)的采集中，需要重視實際的采集方法，可以通過全面細致地分析對應(yīng)物體情況，讓點云數(shù)據(jù)的采集精度得以保障，在此基礎(chǔ)上提升基本效率和質(zhì)量。

3.1.3 效率較高

雖然相較于近景攝影測量變形監(jiān)測技術(shù)，該項技術(shù)難以呈現(xiàn)連續(xù)三維模型數(shù)據(jù)場，但是三維激光掃描測量技術(shù)的效率較高，可以對后續(xù)數(shù)據(jù)及時處理，迅速生成三維數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)相關(guān)分析。需要關(guān)注相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及價值，肯定效率貢獻，結(jié)合具體的變形監(jiān)測對象詳細判斷。

3.1.4 非接觸性

此項技術(shù)的應(yīng)用中，除了上述提及到的相關(guān)優(yōu)勢外，還具備著非接觸性特征，同時也融合了數(shù)字化以及可視化、自動化、動態(tài)化等特性，在實際運用的時候效率效果格外明顯[4]。

3.2 劣勢

盡管相應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢明顯，對應(yīng)的理論研究趨向成熟，但是其存在的問題不容忽視，這對于其在變形觀測領(lǐng)域的長遠發(fā)展具有限制作用。

3.2.1 適用性問題

當前，變形監(jiān)測往往基于監(jiān)測點的變形觀測，結(jié)合三維激光掃描測量技術(shù)分析，其不具備相應(yīng)的使用價值，對于無監(jiān)測點的變形監(jiān)測方法還需進一步研究和分析。

3.2.2 精度評定及誤差理論待完善

此項技術(shù)的優(yōu)勢明顯，在相關(guān)領(lǐng)域展示出自身的應(yīng)用價值，但是關(guān)于精度評定和誤差理論，還需通過適當?shù)姆绞綄⑵渫晟?，確保實際的精度評定更加符合實際，同時也讓誤差理論展示出指導(dǎo)作用。若是掃描中反映出遮擋的問題，在未能將其妥善處理的情況下，極易影響到變形監(jiān)測的基本質(zhì)量。

3.2.3 模型匹配問題

在使用相關(guān)技術(shù)落實變形監(jiān)測時，運用到的模型求差法存有變形量，這是需要重點分析的內(nèi)容。其會涉及兩個三維模型整體對比分析，若是未能考慮干擾性因素，將會影響到模型的匹配度，從而降低變形量的精度。

3.2.4 精度評價體系

盡管該項技術(shù)在變形監(jiān)測中展示出自身的應(yīng)用優(yōu)勢及價值，但是關(guān)于數(shù)據(jù)精度和模型精度未具備統(tǒng)一的精度評價體系，這就使得相關(guān)評價工作的開展成效有所降低[5]。

4 三維激光掃描測量技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用方法

應(yīng)用實際的舉措時，還需結(jié)合具體的需要加以分析，通過充分發(fā)揮三維激光掃描測量技術(shù)優(yōu)勢，使得相關(guān)問題得到控制，保證從根本上將具體情況適當改善。

4.1 標靶標志法

在研究相應(yīng)的區(qū)域時，應(yīng)該重視多個穩(wěn)定且均勻分布的標靶，通過發(fā)揮出三維激光掃描儀的作用，實現(xiàn)對不同時段研究區(qū)的情況分析，在后續(xù)處理的過程中，需要將標靶分辨出來的中心坐標加以提取，判斷不同時段標靶中心坐標的實際變化情況，由此分析出對應(yīng)的變形信息。在運用該類手段時，往往是類似于設(shè)置監(jiān)測點的方式，通過將點水平位移情況加以分析，更好地提升實際應(yīng)用成效。對比于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，此方法的精度更加理想，但是難以將三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢之處充分體現(xiàn)出來。實際運用技術(shù)手段時，必須要結(jié)合使用對象加以分析，只有選擇的使用方式得當，才可在最大程度上展示出基本效力，促使著三維激光掃描測量技術(shù)優(yōu)勢顯現(xiàn)到位。

4.2 DEM求差法

此種方式在實際運用的過程中，更適合運用在地表變形監(jiān)測環(huán)節(jié)。其借助于相應(yīng)的掃描儀在不同時段進行研究，分析出區(qū)域的基本情況，將兩次或者是多次的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的處理之后，構(gòu)建起科學(xué)合理的數(shù)字高程模型，確保不同時段DEM統(tǒng)一坐標系統(tǒng)得以建立，進行對比相減，獲取整個區(qū)域?qū)?yīng)任意坐標的下沉值。考慮到不同時段點云數(shù)據(jù)建立的DEM存在著明顯差異，為了對比相同水平坐標點高程變化，應(yīng)該將初始數(shù)據(jù)當做重點的參考，之后將DEM進行內(nèi)插計算，也就是將某坐標相鄰點的高程加權(quán)平均值當做該點高程。當研究一些點的水平位移時，為將地表水平移動的規(guī)律進行分析，往往會與傳統(tǒng)手段聯(lián)合運用，通過這樣的方式提高基本的實效性。

4.3 模型求差法

此類方法運用的過程中，一般會運用至建筑物以及隧道等空間物體的變形監(jiān)測中，其可以展示出一定的作用成果，還能結(jié)合具體的項目情況全面分析，保證分析的結(jié)果符合實際[6]。在借助于三維激光掃描儀獲取物體點云數(shù)據(jù)后，通過科學(xué)的預(yù)處理，便可將物體表面模型生成，落實好三維建模，使得不同時段模型統(tǒng)一至對應(yīng)的坐標中，完成對比分析，提取變形量。

4.3.1 點云數(shù)據(jù)獲取

首先，為了獲得更為完整的數(shù)據(jù)，應(yīng)當安排測量人員提前進行測量區(qū)域的點位篩選，即在測量區(qū)域內(nèi)找到一個信號穩(wěn)定性最好的點位作為測量基準點，并按照需求設(shè)置好控制網(wǎng)。安裝掃描儀之后，三維坐標的控制點必須提前錄入系統(tǒng)，隨后進行掃描參數(shù)的優(yōu)化，以基準點為基礎(chǔ)實施單個測站的數(shù)據(jù)采集。保證不同測站之間的時間在合理的范圍內(nèi)，并將掃描儀以最快的速度運輸?shù)较乱粋€站位上，直到整個數(shù)據(jù)收集完畢，再立刻將數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)中并實施處理。

4.3.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

隨著國內(nèi)建筑物的建造規(guī)模越來越大，所得到的點云數(shù)據(jù)量也不斷增加，這就使得所得到的點云數(shù)據(jù)不夠準確，所以，一定要優(yōu)先使用預(yù)處理方式來去除一些不可靠的數(shù)據(jù)。其一般囊括有下述幾個步驟，即點云數(shù)據(jù)配準、濾波平滑、數(shù)據(jù)縮減以及所需的三維建模等。值得注意的是，在具體應(yīng)用期間，必須要學(xué)會按照實際需求來找到相匹配的方式。

4.3.3 監(jiān)測實驗分析

在監(jiān)測實驗進行中，以目標物為小塊方形面狀鋁板為例?？紤]到目標物的體積和形狀特性，可以將掃描分為兩期進行。當全部的預(yù)處理成功之后，應(yīng)當對結(jié)果進行后續(xù)的變形結(jié)果分析。一般來說，常見的變形因素有很多，而區(qū)域上升下降的變化占據(jù)的影響最大。應(yīng)當盡可能借助最小二乘擬合法來切實擬合所需目標的平面方程，隨后根據(jù)得到的方程變化結(jié)果來展開詳盡的分析。

4.3.4 平面擬合分析方法

不同的目標物得到的點云數(shù)據(jù)大不相同，應(yīng)當借助最小二乘法平面擬合。眾所周知，國內(nèi)很多建筑物都是由不同的形狀組合而成的，譬如墻面為長方形，地板為正方形等等。借助觀測可以得到這些物質(zhì)的具體點云數(shù)據(jù)，然而，要想實施單獨分析離散點則非常困難，姿態(tài)的結(jié)果很難保證[7]。而平面擬合分析方法則很好地解決了這個問題，且擬合建模的精度高于離散點。與此同時，為了實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的綜合利用，應(yīng)當將不同的點云數(shù)據(jù)進行比較，找出其中的相同處并進行記錄，在后續(xù)的監(jiān)測中能夠直接用應(yīng)用這部分的數(shù)據(jù)，繼而減少測量工作的重復(fù)性。還可以借助均勻采樣法從掃描所得的兩期點云數(shù)據(jù)中各選取10個數(shù)據(jù)點用以簡化計算。

5 結(jié)束語

總而言之，不同于其他技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有采集速度快以及結(jié)果準確性高的特點，其在不同的變形監(jiān)測項目中均得到了廣泛的應(yīng)用，能夠很好地按照要求實施目標物質(zhì)的監(jiān)測，得到可靠的掃描結(jié)果。伴隨著國內(nèi)科技的持續(xù)進步，基于三維激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測技術(shù)勢必會得到更為深遠的應(yīng)用。與此同時，考慮到掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)量很大，應(yīng)盡可能將掃描儀和其他數(shù)據(jù)設(shè)備實施結(jié)合，根據(jù)監(jiān)測目標的物理和化學(xué)特征，幫助掃描儀精準辨別目標。如此獲得的數(shù)據(jù)不只是含有三維信息，還含有目標本身的物理和化學(xué)特性，借助軟件可以實施數(shù)據(jù)的實時處理，三維模型的合理形成和分析，繼而實現(xiàn)穩(wěn)定的執(zhí)行變形監(jiān)測，達到針對性的預(yù)警處理。相信三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中將呈現(xiàn)出巨大的作用，邁向程序化以及智能化的發(fā)展道路。