三维激光扫描在变形监测中的应用

1、三维激光扫描在变形监测中的应用1.1课题研究背景及意义在国民经济飞速发展的今天，人们对自然资源的优化利用和对生存环境的保护都有了更 深层次的认识。安全监测引起了人们的广泛关注和高度重视，安全监测的理念在各种工程建 设中均得到了必要的体现。调查结果表明，一些事故是由于工程施工质量造成的，也有部分是由于环境条件恶化及 局部气候异常(如连降暴雨)造成的，但是更多的是由于管理不善、缺乏必要的安全监测以 及对隐患未及时处理而造成的。工程建筑物的变形分析研究、建模及预测已经越来越受到全 社会的普遍关注，在建筑物运营过程中，准确分析工程建筑物的变形形态，及时预报工程建 筑物的变形趋势，从而确保工程建筑物的安

2、全，防止事故的发生。目前，变形监测采用的常规手段是测定目标建筑物重点部位测点的变形值，常用的仪器有水 准仪、经纬仪、测距仪、全站仪、断面仪等。这种单点测量手段监测面积大，通过变形基准 网可以进行测量结果的校核和精度评定，适用于不同监测精度要求、不同形式的变形体和不 同的外界条件，但外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化监测1。精度高， 速度快，操作简单的GPS与计算机技术、数据通信技术及数据处理与分析技术集成，实现 从数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化，用于变形监测方面有更长远的发展2； 但卫星信号受多路径效应的影响，在高山、地下等信号易被遮挡的地区，观测精度和可靠性 不高

3、甚至无法监测，且高精度变形监测中难以利用GPS同时精确测定平面和垂直位移。近 年来，近景摄影测量可瞬间记录被测目标建筑物的点位信息，进行进一步的变形对比分析， 应用于隧道、桥梁、大坝、结构工程及高层建筑等的变形监测领域3，然而摄影测量技术 在变形监测中的应用尚不普及，主要是受摄影距离要求较近的限制，目前大多数的测量部门 不具备摄影测量所需的仪器设备。上述传统的变形监测方法有着各自不同的适用范围和优缺点，然而这些常规的测量技术不能 满足结构连续，且需要整体监测的工程建筑物。三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)是近几年来逐步发展成熟的一项高新技术，与传统的技

4、术手段有着较大的区别， 该技术突破了传统的单点测量模式，实现了 “从点到面测量”的技术革新，能够快速获取物 体表面海量三维坐标数据，这些三维坐标数据又被称为“点云” 4。点云数据可以描述目 标物表面的真实形态，直接反映客观事物实时、动态、真实的形态特性。采用三维激光扫描 技术能完整地“复制”目标物，获取整个被监测目标物的观测数据，高密度高精度的优势使 其在变形监测领域占据一席之地。作为传统测量的补充手段，三维激光扫描技术提供的高分 辨率点云能详细记录复杂物体的各个细节，在城市三维建模、文物保护、逆向工程、地形测 量、竣工测量等领域具有很好的潜在应用价值。值得一提的是三维激光扫描技术凭借方便快

5、捷、采集速度快、扫描精度高、无需可见光照明等特点，在变形监测领域应用广泛，不仅可 用于大坝、船闸、桥路等的变形小区域监测，也可用于滑坡、岩崩、河岸崩塌、矿山塌陷等 自然灾害的大场景监测。传统的变形监测方法难以突破单点测量的模式，测量耗时，自动化程度不高，获取的信 息有限，容易忽略目标建筑物整体结构和形态的变形。三维激光扫描技术改变传统单点测量 方法，避免采集数据少，信息不全面的劣势，通过采集到高精度高密度的建筑物表面点云数 据充分表现目标建筑物的几何信息来实现微小变形的检测。利用三维激光扫描技术提取目标 建筑物的三维空间形态信息，实现对不同时期变形体的变形检测，对于局部变形表现出极大 的优势，

6、尤其可以在整体上把握大型建筑物的变形信息，从而确保变形体的安全，防止事故 发生而造成严重危害，同时验证规划、设计、施工的正确性与工程质量，对老化及病变结构 的补强加固、维修养护的效果提出评价等。1.2国内外研究现状变形监测是对变形体利用专用测量仪器和方法进行观测，来确定其空间位置随时间的变 化特征，观测目的是为了获取变形体的变形数据，来研究在各种荷载和外力作用下，变形体 的形状、大小、及位置变化的空间状态和时间特征，掌握变形体的实际性状，对变形的原因 做出科学解释，并进行预报5。近几年，三维激光扫描技术有了很大发展，凭借快速、准确获取三维信息的特点，已经 在变形监测方面有了较广泛的应用。1.2

7、.1国外研究现状（1）仪器校准与误差分析方面变形监测应用需要毫米级到亚豪米级的精度，仪器校准和误差分析都要进行测试。性能评估 的内容包括仪器硬件校准、距离精度、角度精度、点精度、激光束发散等Schulz6在对Reigl、 Leica等扫描仪的成像系统、扫描分析系统进行硬件评估后，重点在偏心率和轴非正交性误 差方面，同时给出了花岗岩点云的误差规律，结合倾斜仪来讨论校准误差程序。D.Gonzalez-Aguilera7等对Trimble GXTM和Riegl LMS-Z390i两台扫描仪自校准做了深入的分 析，探讨了扫描仪的测距误差、测角误差和轴系间的误差，并根据测量误差的特性，推导了 系统误差校

8、正模型。Lichti8提出修正iQsun880激光扫描仪的重大系统误差的模型，并估算 出表示时间不稳定的附加参数，这意味着若进一步的测试证实了上述发现，需要制造商采取 补救措施来校准仪器。误差分析方面，Yuriy Reshetyuk9通过实验，将TOF地面激光扫描仪的误差来源分为仪器误 差、与目标有关的误差、环境误差以及算法误差，同时论证了各类误差的影响程度，给出了 误差模型。Cheok G.S10基于误差传播理论，讨论生成曲面（网格）算法来评估扫描点云误 差，计算网格中任意点的仪器误差估计和点云误差的点间空间协方差，从而分析各个影响因 素对点云误差的影响。Wolfgang Boehler11

9、做了一系列标准化的测试，分析并指出物体表面的反射率、测量距离、扫描角度、边缘效应、光 斑大小及外界环境光线均会影响扫描精度，并针对不同影响因素给出了消除或降低误差的方 法。Lichti和Harvey等人12侧重研究反射面材料特性对激光脉冲三维激光扫描仪的影响， 指出激光脉冲在反射面的衰减增大了扫描仪的测距误差，甚至导致点云数据的完全丢失或只 有在更短距离才能获取的情况。（2）数据处理方面三维激光扫描技术在测量过程中快速采集大量的密集点云，点云数据是直接采集目标真实位 置的数据，后续的数据处理必须真实可靠，才能直接反映客观事物实时、动态、真实的形态 特性。Pauly等13将Laplacian算子

10、应用到散乱点云上，收获了很好的去噪效果。Carr等人14应用 径向基函数（RBF）提取三维点云数据中的等值线，实现对点云数据的重建。为加快点云数 据重建速度，Ohtake和BELYAEVA15将基于紧支撑径向基函数（CSRBF）的多层点云重建算 法应用到点云数据的孔洞修补工作中，收到了较为理想的成果。为得到物体表面完整的点云 数据，需要对点云数据进行整合和配准。其中最经典的配准算法是由Besl和Mckay16在 1992 年提出的ICP（Iterative Closest Point配准算法，该算法以四元数为基础实现了点集到点集的配 准，通过实验证明这种匹配算法是一种解决复杂配准问题的关键方法

11、，应用范围较大。散乱 数据一般不含显式的特征信息，Stamos I、Jiang X和Yokoya N在三维场景分割方面作出了重 大的贡献，分别采用基于区域17、基于边缘18、基于区域与边缘混合19的方法实现了点 云三维场景的分割，其中基于区域与边缘混合算法可以在一定程度上克服基于区域分割算法 运算速度慢和基于边缘分割算法边缘定位精度不理想的缺点，是一种较为成熟的算法。在三 维几何建模方面，上世纪末，Sequeira V和Curless B分别提出基于曲面20和基于体21的建 模方法，这两种方法有一定的局限性，其在大规模场景中的直接应用范围小。目前模型三角 网格曲面重建的算法主要有：由W.Lor

12、ensend等人于1987年提出的MC (Marching Cube) 算法22，以及非均匀有理 B 样条法 NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)23算法，其 中利用NURBS法可以更精细地控制曲线，构造质量更高的曲面，其算法稳定，运行速度快， 已成为外形描述的工业标准，目前，Bezier、有理Bezier、均匀B样条、非均匀B样条都统 一至U NURBS 中。变形监测方面国外许多学者提出了基于三维激光扫描技术的变形监测的基本理论，对三维激光扫描仪 的测绘成果的误差成因、误差影响方式进行综合分析，讨论了该项技术在变形监测领域内应 用的可行性、技术优势和存在

13、的问题，并在一些实际应用中得到了验证，取得了理想的精度 结果和良好的经济效益。Roderik Lindenbergh等24将HDS3000三维激光扫描仪应用在施工隧道的变形监测中，首先 在隧道中进行距离和入射角对精度的影响的实验，重点研究了点云密度对变形监测的影响， 并建议为提高点云精度，对边缘的“伪影”进行分割工作，然后将隧道模拟为一个圆筒，再 通过隧道圆筒模型的测量偏差来描述变形信息。M.Alba等人25分别采用(1)扫描数据与 三角格网的比较；(2)三角格网与三维拟合曲面的比较；(3)三维拟合曲面与扫描数据的比 较三种比较模式提取变形量，但没做进一步比较，无法得知方法的优劣。2005年D

14、.Girardea 等人26利用八叉树结构为散乱的点云数据建立拓扑关系，以直接扫描得到的点云进行变形 分析，收到较好的效果。2005年，Tsakiri, M等27讨论了直接比较基准点提取变形量的方法， 使用逆-反射标靶和专用算法精确确定其中心，扫描在不同时期变形物体的扫描数据，并转 换到一个公共坐标系中，统计比较不同时期的沿着，方向的向量，实验表明各轴变形 量小于0.4mm。Schafer T28不采用标靶法，而直接比较位于同一由Delaunay三角格网构造 的网格中的单点，他认为，扫描仪不动时，相同的扫描结果得到的格网是一定的;对每个采 样点内插得到新值，比较两个相应的差异值坐标识别变形量。

15、Lindenbergh R29分析了点云 法向量的差异，利用向量长度随机，长度相似的向量和方向运动来检查扫描数据的稳定性。 Gordon3031则阐释了一种探测变形的新方法，通过比较点云构造的描述对象模型的方法 用来解决分析模型表示不同时期横梁的挠度量。一旦确定两个时期的分析模型，可以从差异 中计算横梁的挠度。1.2.2国内研究现状程光亮32 选用免棱镜全站仪与三维激光扫描仪进行三维影像坐标量测比较后发现：三维激 光扫描仪三轴差分布基本上接近均匀分布，这一点是近景摄影测量所不具备的优点；在Y 轴上点位精度高于X、Z轴精度，X、Z轴精度接近。同济大学的石银涛33比较了全站仪CAD 建模和三维激光

16、扫描建模两种方法，论证了三维激光扫描建模方法速度快，精度高、效果好， 同时可以完整地保留建筑物的细节特征。因模型的精度要显著高于单点的精度，利用数据拟 合方法来获取观测目标的几何特征，通过分析空间几何参数来分析变形。蔡来良34提出了通过拟合点云数据来提高监测精度，并以相似特性分割点云，平面拟合的 方法可以计算得出每个点的初始法向量，剔除带有大残差的点后，剩下的点通过初始法向量 和原始点的位置进行区域增长，但这种方法需要在分析前增加法向量的计算过程，耗时且计 算量大。徐进军35和张国辉36做了相关的研究，通过拟合人工布设的监测块点云中心和 天然不规则的监测块点云的重心来获得监测基准，监测各时段扫

17、描数据坐标变化来提取变形 信息。刘杰等人37 比较分析了三维激光扫描仪对于不同材质和不同测量距离的变形监测效 果，实现了使用三维激光扫描仪对高层建筑的变形监测。夏国芳等38 避免传统监测方法在 断面获取技术上的不足，以采集到的隧道三维激光扫描数据为基础，成功利用点云数据绘制 隧道纵横断面，进而进行变形检测工作。吕钊39采用Hausdorff距离算法对两期点云数据 进行自动检测，通过平面分割和平面拟合算法，保证变形区域的点云数据在同一平面内，采 用Delaunay三角剖分生成三角网来提取变形边界和计算变形区域的表面积。1.2.3当前研究的不足三维激光扫描仪能够对物体表面实现高分辨率密集的数据采集

18、，比常规的GPS或全站仪的 测量方式更具有效率和优势，为变形监测安全顺利地进行提供了可靠和全面的数据。从对国 内外研究现状可以看出，目前利用三维激光扫描技术在变形监测方面的研究还较少，还存在 以下问题需要进一步研究和解决。（1）针对高精度的变形监测要求，首先对扫描仪的测量误差进行分析，主要包括仪器硬件 校准、距离精度、角度精度、目标反射面的影响等，根据分析影响精度因素，对扫描材料和 扫描角度开展实验研究，从而避免在实际变形监测中的不利因素影响，达到改善数据质量的 目的。（2）针对桥梁、隧道全面变形监测工作，建立三维激光扫描变形控制网是三维激光扫描数 据测站配准的重要环节，同时也是建筑物变形监测的基准。研究实际工程特定环境下的控制 网的布设方法和数据处理方法，需要根