硕士学位论文—基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究 - 图文

第一章 绪论

基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究 国内外研究现状 地面三维激光 扫描系统介绍 影响点云精度 的因素分析 Trimble GXTM三维 激光扫描系统介绍 扫描系统分类典型仪器指标扫描系统原理扫描距离与角度点云亮度与厚度目标反射特性边缘效应影响激光光束不均匀温度气压等影响系统组成及指标系统配套软件系统数据格式 GPS 桥梁监测数据获取 桥梁监测方案设计 基准点获取控制网测量点云数据获取基于点云的配准 基于目标的配准 基于大地坐标的配准 监测点云数据预处理 点云数据配准 点云数据去噪特征点坐标转换 变形分析、提取研究 曲面拟合法配准算法实验验证与分析ICP图1.1 基于三维激光扫描的桥梁监测技术路线

总结展望 9

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1.4 论文组织结构

本文的章节安排如下：

(1) 第一章阐述了三维激光扫描技术在变形监测方面的研究背景和研究意义，针对国内外三维激光扫描技术在数据处理和变形监测应用方面的研究现状，分析了研究的不足之处及有待解决的问题，提出本文的研究目标、研究内容以及技术路线。

(2) 第二章介绍了三维激光扫描分类、原理以及典型仪器性能指标；详细介绍了实验仪器Trimble GXTM三维激光扫描系统组成、性能指标、配套的数据处理软件以及支持的数据格式；详细分析研究了影响点云数据质量的各项因素，提出获取优质数据方法，包括：缩短扫描距离、调整扫描角度、单点精测、筛选点云灰度等方法。通过实验总结出最佳获取点云途径，为高精度的监测做好实验准备。

(3) 第三章桥梁变形监测方案设计以及点云数据获预处理，研究分析了点云数据获取后的预处理工作，主要包括点云去噪、特征点坐标转换以及点云配准；给出了左右手系坐标换算方程，推导了特征点坐标转换算法；详细研究了点云数据去噪和海量点云配准方法，利用RealWorks Survey三维激光扫描数据处理软件实现了海量点云数据的精确配准。

(4) 第四章研究桥梁监测中变形量提取方法，推导了最小二乘平面拟合算法以及了二次曲面拟合算法，提出了基于曲面拟合的桥梁变形分析方法；利用ICP配准算法进行根据多期数据配准，实现了桥梁复杂部位的变形量提取，给出了衡量变形精度指标与距离阈值判定方程。

(5) 第五章总结本文的研究工作，分析存在问题，展望本课题需要进一步研究的工作及方向。

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第二章 三维激光扫描系统及影响点云精度因素分析

第二章 三维激光扫描系统及影响点云精度因素分析

三维激光扫描技术是继GPS(Global Position System)之后的又一次技术革命，当今随着三维激光扫描技术的高速发展，不同类型的三维激光扫描仪也相继被生产出来，它们在种类、功能、性能指标等方面各有差异，如何对烦杂多样的激光扫描仪根据不同的应用目的进行正确认识和客观选择至关重要，所以对三维激光扫描仪的分类势在必行。三维激光扫描系统原理主要是依据测距原理来划分的，包括：脉冲式、三角测量式以及相位式，其中脉冲式三维激光扫描仪在测绘领域应用较多，然而不论是何种类型的三维激光扫描仪，在测量过程中总是存在误差：仪器误差、系统误差以及外界环境影响等，三维激光扫描技术误差理论还没形成一般的体系，面对诸多影响点云精度因素必须加以分析研究。

2.1 地面三维激光扫描系统分类及性能指标

2.1.1 地面三维激光扫描系统分类

依据扫描的空间位置或系统运行平台来划分三维激光扫描系统可分为三类：机载型激光扫描系统、手持型激光扫描系统和地面型激光扫描系统。地面型激光扫描系统一般分为两大类：移动式扫描系统和固定式扫描系统。依据本文研究重点，下面主要介绍固定式地面三维激光系统的分类[34]。 (1) 按照应用范围划分

①测量型激光扫描仪。测量精度为毫米级，主要用于测量地形以及构筑物。 ②计量型激光扫描仪。测量精度优于毫米，主要用于测量工业产品、精密部件等，也较多应用于逆向工程。 (2) 按照扫描系统成像方式划分

①摄影式扫描系统。此类型的扫描系统类似于摄影测量的相机，扫描视场有限。代表仪器有Leica公司的HDS3000、Optech公司的ILRIS_3D等，它们适用于室外物体的扫描，对于长距离的扫描优势明显。

②全景式扫描系统。此类型的扫描仪适用于室内扫描，例如数字化房屋、设备扫描等。代表仪器有Imager5003扫描系统。

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③混合型扫描系统。此类扫描系统集成上述两种扫描类型的优点，在水平方向的轴系旋转不受任何的限制，而垂直方向上的旋转因镜面翻转的各有不同。代表仪器有Trimble公司的GS200扫描仪以及RIEGL公司的LMS Z420扫描仪。 (3) 按照测程划分

①短距离激光扫描仪。最长测量距离为几米。②中距离激光扫描仪。测量距离小于100米。③长距离激光扫描仪。测量距离大于100米。 (4) 按照扫描系统测距原理划分

①脉冲测距原理(TOF)。TOF又称为时间漂移测距原理，是一种高速激光测时测距技术。TOF原理的测距系统测距范围可以达到几百米，甚至上千米，其相对测量精度较低。Leica公司的HDS3000高清晰测量系统是典型的这种类型的三维激光扫描系统。

②相位测距原理(Phase difference)。利用激光光线的连续波发射，根据光线干涉原理确定干涉相位的测量方法。适用于中程距离测量，扫描范围通常限制在100m内，它的测量精度可以达到毫米级。Minolta公司的VIVID900测量系统是典型的这种类型的三维激光扫描系统。

③激光雷达或光学的三角测距原理(Optical triangulation，Laser Radar)。利用立体相机和结构化光源，通过获得两条光信息，建立立体投影关系。适用于近距离测量，测量范围在几米到数十米内，它的测量精度可以达到亚毫米级。Mensi公司的S10/S25型测量系统是典型的这种类型的三维激光扫描系统。 (5) 按照扫描仪激光光束的发射方式划分

①灯泡式扫描仪。如图2.1(a)。②三角法扫描仪。三坐标测量机就是基于这种原理，如图2.1(b)。③扇型扫描仪。此种类型的扫描仪扫描点云的密度和准确度都很高，目前多数主动式的扫描系统都采用这种激光束发射方式，如图2.1(c)。

(a) (b) (c)

图2.1 激光光束发射方式分类

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