摄影测量与遥感毕业论文.doc

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1、学号 0830421034 分类号 P23 密级 无 UDC（DDC） 528 硕 士 学 位 论 文 基于三维激光扫描的桥梁 监测方法研究 苏 磊 指导教师姓名： 郑德华 副教授 河海大学地球科学与工程学院 申请学位级别： 工学硕士 专业名称： 摄影测量与遥感 论文提交日期： 2011 年 5 月 论文答辩日期：2011 年 6 月 3 日 学位授予单位和日期： 河 海 大 学 2011 年 6 月 答辩委员会主席： 李浩 教授 论文评阅人： 李明峰 教授 岳东杰 教授 2011 年 6 月 中国南京 分类号（中图法） P23 U D C（DDC） 528 密级 无 论文作者姓名 苏磊 学号

2、 0830421034 单位 河 海 大 学 论文中文题名 基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究 论文中文副题名 无 论文英文题名 The Research on Bridge Monitoring Method Based on 3D Laser Scanning 论文英文副题名 Non 论文语种 汉 论文摘要语种 汉、英 论文页数 73 论文字数 7.3 (万) 论文主题词 三维激光扫描技术、桥梁、点云数据、变形监测、曲面拟合、 ICP 配准 申请学位级别 硕士 专 业 名 称 摄影测量与遥感 研 究 方 向 三维激光扫描数据处理 指导教师姓名 郑德华 副教授 导师单位 河海大学地球科学与工

3、程学院 论文答辩日期 2011 年 6 月 3 日 The Research on Bridge Monitoring Method Based on 3D Laser Scanning Dissertation Submitted to Hohai University In Fulfillment of the Requirement For the Degree of Master of Engineering By Su Lei (School of Earth Sciences and Engineering) Dissertation Supervisor: Associate P

4、rofessor Zheng De Hua June.2011 Nanjing P.R.China 学位论文独创性声明：学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确

5、的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者（签名）：论文作者（签名）： 年年 月月 日日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论电子文档的

6、内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( (包括刊包括刊 登登) )授权河海大学研究生院办理。授权河海大学研究生院办理。 论文作者（签名）：论文作者（签名）： 年年 月月 日日 摘 要 I 摘摘 要要 近几年，三维激光扫描技术的进步日新月异，三维激光扫描仪已经成为重 要的测量工具，目前它已广泛应用于医学、文物保护、土木工程、计算机视觉 以及交通规划等重要领域。随着三维激光扫描仪生产技术和配套数据处理软件 的日渐发展成熟，使用三维激光扫描系统对建筑物、边坡和矿区等进行变形监 测对于

7、安全预测、生产指导都具有重要意义。本文针对桥梁变形监测，应用三 维激光扫描技术展开研究，主要内容如下： (1) 回顾了近几年三维激光扫描技术在数据处理和变形监测应用方面研究 现状，提出了本文的研究内容和技术路线。 (2) 介绍了地面三维激光扫描系统分类，列出了主要三维激光扫描仪的性 能指标参数；阐述了三维激光扫描系统脉冲测距法(TOF)、干涉法和三角法的三 种测量原理；详细介绍了实验仪器 Trimble GXTM三维激光扫描系统的组成、软 件功能及支持的数据格式。 (3) 详细分析了影响点云精度的主要因素，探讨了扫描距离、扫描角度、 目标反射体表面粗糙程度、边缘效应、激光光束、外界环境等方面对

8、点云数据 精度的影响，提出了获取高质量数据点云的方法。 (4) 设计了使用地面三维激光扫描仪对桥梁进行变形监测的方案，给出了 点云数据获取步骤；通过编程并结合 RealWorks Survey 三维激光扫描数据处理 软件实现了桥梁的点云去噪、特征点坐标转换以及点云配准。 (5) 研究了利用曲面拟合方法分析桥梁沉降，实验表明该方法可以较好的 反映出桥梁在顺桥向和横桥向的不均匀沉降以及表面相对形态变化；编程实现 了 ICP 配准算法，并通过将两期扫描数据进行配准提取变形量，实验表明该方 法可以精确地提取桥梁表面微小变形。 关键词：关键词：三维激光扫描技术；桥梁；点云数据；变形监测；曲面拟合；ICP

9、 配 准算法； Abstract II Abstract In recent years, the progress of the 3D laser scanning technology is changing with each passing day.3D Laser Scanner is a crucial measurement tool in the Geodesy and Engineering surveying, and it is applied widely in the fields of medicine、cultural relic protection、civil

10、 engineering、computer vision and traffic planning etc. As the technology of 3D laser scanner producing and the software of data processing developed mature increasingly, using the system of 3D laser scanning to deformation monitoring for the buildings、side slope and diggings is very important for th

11、e safe prediction and production guidance. In this paper, we use the techniques of 3D laser scanning in the deformation monitoring of bridge. The main research content of the dissertation includes: (1) The recent backgrounds in the ways of data processing and deformation monitoring applications of 3

12、D laser scanning techniques are reviewed in detail, then proposes the main research content and technical route. (2) The classification of terrestrial laser scanning system are introduced ; some of important 3D laser scanners performance index parameters are listed; The fundamental of three types of

13、 typical 3D laser scanners based the Time of Flight range finder、interferometry and laser triangulation are introduced in the dissertation; The experiment instrument which is about Trimble GXTM 3d laser scanning system is introduced including composition、software function and support data formats. (

14、3) The main influence factors of point cloud accuracy are detailed analysis, such as scanning distance、angle、target reflector surface roughness、edge effects、laser beam and external environment etc are discussed, and then a method to improve access data quality is proposed in the dissertation. (4) Th

15、e scheme of bridge deformation monitoring is designed which is how to use terrestrial 3D laser scanning system, and the steps of get point cloud data acquisition is given. The point cloud denoising、coordinate transformation of feature points and point cloud registration are realized through the prog

16、ramming and RealWorks Survey. (5) The bridge subsidence is analyzed by the method of fitting of surface, the experiment results show that: the mathod can better to reflect the uneven settlement and surface relative change of the bridges; The ICP registration algorithm is realized by programming and

17、then the surface deformation is extracted by the registration of two stage scanning data. The experiment results show that this method can accurately extract surface tiny deformation of the bridge. Key words：3D laser scanning technology; bridge; point cloud data; deformation monitoring; surface fitt

18、ing; ICP registration algorithm; 目 录 III 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT.II 目目 录录.III 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 课题研究背景及意义.1 1.2 国内外研究现状.2 1.2.1 国外研究现状3 1.2.2 国内研究现状5 1.2.3 当前研究的不足7 1.3 本文主要研究内容及技术路线.7 1.3.1 本文研究内容7 1.3.2 本文技术路线8 1.4 论文组织结构.10 第二章第二章 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系统及影响点云精度因素分析11 2.1 地面三维激光扫描系统分类及性能指标.11 2.

19、1.1 地面三维激光扫描系统分类11 2.1.2 地面三维激光扫描仪性能指标13 2.2 地面三维激光扫描系统原理.14 2.2.1 三维激光扫描系统的组成14 2.2.2 地面三维激光扫描系统原理15 2.3 实验仪器介绍.18 2.3.1 Trimble GXTM三维激光扫描系统介绍 18 2.3.2 Trimble GXTM三维激光扫描系统软件 19 2.3.3 Trimble GXTM三维激光扫描数据格式 21 2.4 影响点云精度因素分析.21 2.4.1 测量距离和角度影响22 2.4.2 点云厚度与亮度影响22 2.4.3 目标物体反射表面粗糙程度的影响23 2.4.4 边缘效应

20、24 2.4.5 激光光束不均匀25 2.4.6 外界环境的影响26 2.5 实验结果分析.27 2.6 本章小结.32 第三章第三章 桥梁监测方案设计与数据预处理研究桥梁监测方案设计与数据预处理研究33 3.1 桥梁变形监测方案设计.33 3.1.1 变形监测方案流程33 3.1.2 点云数据获取步骤35 3.2 桥梁变形监测数据预处理.36 目 录 IV 3.2.1 点云数据去噪36 3.2.2 特征点坐标转换37 3.2.3 点云数据配准42 3.3 实验结果分析.44 3.4 本章小结.48 第四章第四章 基于点云的桥梁变形分析方法研究基于点云的桥梁变形分析方法研究49 4.1 基于曲

21、面拟合的桥梁变形研究.49 4.1.1 平面以及二次曲面拟合49 4.1.2 基于曲面拟合的变形分析方法53 4.1.3 实验结果分析54 4.2 基于 ICP 配准算法的桥梁变形提取.56 4.2.1 ICP 配准算法原理 .56 4.2.2 基于 ICP 算法的变形量提取步骤 .57 4.2.3 ICP 配准精度指标 .60 4.2.4 变形量距离阈值判定60 4.2.5 实验结果分析61 4.3 本章小结.64 第五章第五章 结论与展望结论与展望65 5.1 结论.65 5.2 展望.65 参考文献参考文献67 致致 谢谢72 附附 录录73 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1

22、.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 随着我国综合国力的不断提高和科技水平的日益飞跃，我国的桥梁建设也 到了一个迅猛发展的阶段。目前，江苏省境内已建和在建的特大型桥梁有江阴 大桥，南京二、三和四桥，润扬大桥，苏通大桥，泰州大桥，崇启大桥等。这 些特大型桥梁的建设技术先进、规模大、建设标准高。在施工和运营过程中， 为了保证桥梁工程的安全，需要对桥梁的地基、引桥、下部结构、上部结构、 桥面等结构和外形作全面的检测和监测。交通建设迅速发展，交通运输大幅度 提高，行车密度及车辆载重越来越大，跨河桥梁和高架桥梁对交通运输和经济 发展的重要性不断增加，同时产生的一系列桥梁工程问题日益突出。调查结果

23、表明：设计平均寿命为 75 年的桥梁实际使用寿命平均为 40 年左右；德国对部 分混凝土桥梁的调查数据显示：使用年限 25 年以上的桥梁 46%至少存在一处 中等以上的损伤。国内专家认为超过 25 年以上的桥梁属于“老龄”桥梁，据此， 我国 40%的桥梁已进入老化期，其数量随时间推移还在不断增加。因此，桥梁 的全面、准确的监测迫切而又重要。 桥梁变形监测方面，传统监测方法是通过连续和定期的单点观测，对多期 观测数据进行对比分析，完成对工程安全性的确定，通过对离散监测点位移变 化分析，做出安全与评价，其结论可能存在较多的片面性和不确定性。在三维 数据采集方面传统手段主要包括：单点采集三维坐标的方

24、法(如 GPS 高精度定 位、三维坐标测量机、全站仪等)、基于光学摄影测量原理的近景摄影测量以及 航空摄影测量等。单点采集三维坐标方法效率低、复杂场地工作时间长、对需 要海量数据的结构面、实体描述难以详尽，而利用光学摄影测量原理使用软件 对数据图像推拟获取实体三维数据模型的方法，由于采集数据的硬件设备限制 及后期数据处理复杂等原因，存在操作繁琐、误差较大以及欠稳定等问题。因 此，新的、全面的检测和监测方法是一种发展趋势。 三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)是一种先进的全自动高精 度立体扫描技术。它是利用激光测量单元进行从左到右，从上到下的全自动高 河海

25、大学硕士学位论文 2 精度步进测量，进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点的三维坐标。 与传统的测绘技术不同，它主要面向高精度逆向工程的三维建模与重构。精确 的三维模型需要完整地描述目标结构，因此需要大量的三维点，少则几万个， 多则几百万以上，这样才能把目标完整地描绘出来。三维激光扫描技术作为现 代高精度传感技术成功地解决了传统方法的数据采集量少、数据不全面等问题， 它可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型、复 杂、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，从 而快速重构出目标的三维模型，并能获得三维空间的线、面、体等各种制图数 据，同时，它所

26、采集的三维激光点云数据还可进行多种后处理工作，如测绘、 计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。该技术突破了传统的单 点测量方法，能够快速获取物体表面海量三维坐标数据，实现逆向三维模型的 快速重建，对复杂的交通改造工程的设计、施工和监测是一次突破性的飞跃。 上述表明三维激光扫描技术在大型构筑物的检测建模方面有重要的使用价 值和实现可行性。如何针对特大型桥梁的梁体、塔柱、墩身及锚体等重要部位 的变形监测和检测工作，采用三维激光扫描技术获取高精度的密集点云数据， 进行逆向三维建模；怎样结合桥梁设计资料和多期三维测量模型，分析结构体 的整体形变和差异，建立一种基于三维模型形变分析方法和理论，

27、形成一套完 整的特大型桥梁构筑物的全面监测和检测程序体系，为科学全面的特大型桥梁 监测技术提供典型的样例等问题都是当今研究的重点。这种逆向工程的数据获 取、处理方式，尤其在桥梁监测方面的应用目前在我国属薄弱领域。因此，三 维激光扫描技术在桥梁监测方面的应用研究意义重大。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 变形监测又称变形观测或形变测量，就是利用测量与专用仪器和方法对变 形体的变形现象进行监视观测的工作，变形监测的任务就是确定在各种荷载和 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，变形 监测的首要目地是要掌握变形体的实际性状，为判断其安全提供必要的信息1。 目前比较成熟

28、的传统变形监测手段也很多,传统的方法有全站仪测量、GPS 第一章 绪论 3 技术、精密水准测量及近景摄影测量等,变形分析方法包括：回归分析法、时间 序列分析法、灰色系统分析法、Kalman 滤波分析法、人工神经网络分析法以及 频谱分析法等，这些方法及理论研究都已达到比较深入的程度,并形成了相应的 技术及理论体系。地面三维激光扫描系统作为一种全新的测绘技术,具有许多新 的特性及功能，它以独特的免棱镜方式测量目标点，具有高精度、高密度、高 速度、高时间分辨率以及高空间分辨率等优越特点，使得三维激光扫描在变形 监测领域得到了关注和重视。目前，地面三维激光扫描技术在桥梁变形监测、 大坝变形等精度要求高

29、的领域研究还较少，而在矿区沉降、边坡监测等方面已 有广泛的研究和应用，国内外学者对三维激光扫描数据处理以及在变形监测方 面的应用方面也进行了较多的研究和试验。 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 (1) 三维激光扫描误差分析与数据处理方面 三维激光扫描误差分析方面，1999 年 Yang Yaoquan2等人在介绍了三角 法激光扫描大型曲面的测量原理基础上，详细分析了影响其测量精度的几个主 要因素，包括：被测物体表面的光学性能、物体表面倾斜、光学系统畸变及散 斑等方面，针对大范围测量时光斑图像占用多个像素及诸多因素造成的光斑图 像强度分布不均以致于很难读取真正光斑几何中心的问题，提出了一种基

30、于 Hough 变换的光斑中心提取方法，实验表明该方法可以提高大型曲面测量的精 度；2003 年 Wu Jianfeng3等人通过研究认为激光三角法测量是三维曲面非接 触测量的主要方法，其测量精度受到本身结构和被测物体特性及环境因素等多 方面的影响，通过试验对影响激光三角法测距精度的各种原因进行详细分析， 并针对不同影响因素给出了消除或降低误差的方法；2006 年 Yuriy Reshetyuk4 详细研究了脉冲式地面激光扫描仪的误差来源，他将误差来源分为：仪器误差、 与目标有关的误差、环境误差以及算法误差四种，通过实验详细分析了各类误 差的影响程度，并给出了误差模型。 三维激光扫描数据处理方

31、面，1992 年 Besl 和 Mckay5首次提出了著名的 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,它不仅适用于点集与点集之间的配准，也适用于其他几何对象的配准， 河海大学硕士学位论文 4 应用范围较大；2002 年 H-C Kim6等人研究了不规则点云的数据分割算法，并 比较无噪声点云数据的分割和有噪声点云数据的分割方法,进一步将数据分割分 为平面分割、光滑表面分割和粗糙表面分割三种类型；2002 年 S-M Hur7等人 提出了在点云数据狄罗里三角化的过程中实现数据缩减的方法，从而使得生成 STL 文件的大小得到了有

32、效的减小，该方法可以降低模型误差、减少计算机运 行时间，同时也可保证 RP 模型的精度；2003 年 Wolfgang Boehier8等人使用 多种不同厂家生产的三维激光扫描仪，针对测量角度、测距精度、边缘影响、 分辨率以及外界环境光线等方面影响进行理论分析，并做出了实验验证，通过 对比分析对点云质量进行了调查；J. Clark9等使用 Leica HDS2500 三维激光 扫描仪对不同颜色的物体进行扫描并分析研究，为提高数据获取质量做出评价； 2004 年 Natasha10等人针对 ICP 算法中的点云数据配准质量问题，即在无特征 区域选择太多的扫描点云数据时，尤其是扫描数据中存在较大测

33、量噪声或数据 没有校正时，将导致收敛速度减慢或配准不正确，甚至出现配准不收敛现象， 为了提高 ICP 算法的稳定性，以配准处理的不确定性最小化为目标，提出了考 虑转换约束情况进行采样点选择的方法；2007 年 Sophie Voisin11详细研究了 环境光线对三维激光扫描的影响。 (2) 变形监测应用方面 在国外，三维激光扫描技术在变形监测方面应用有了较多研究，2001 年 Stuart Gordon12等人在分析了三维激光扫描在变形监测方面的可行性后，通过 实验校准了 Cyrax 2400 仪器，对建筑物混凝土结构以及木质材料的桥梁进行了 变形监测实验并取得一定成果；2004 年 Thom

34、as Schafer13等技术人员应用徕卡 公司的 HDS2500 中程地面三维激光扫描仪对多瑙河上的 Gabcikovo 水电站船闸 进行蓄水前后的变形进行了监测，取得了理想的精度结果和良好的经济效益； 2005 年 Roderik Lindenbergh14等人通过对 HDS3000 三维激光扫描仪获取数据 质量分析后，将其应用在施工隧道的变形监测中，重点研究了点云密度对变形 监测的影响；2006 年 Frank Lemy15等人针对施工开挖的隧道进行了变形分析， 采用三维激光扫描技术制定了测量方案，在隧道多个位置设定球形标靶进行扫 描建立隧道模型，将隧道不同侧面的表面做了详细分析；200

35、7 年 Roberts Gethin16等人使用徕卡 HDS3000 三维激光扫描仪对建筑物进行变形监测实验， 第一章 绪论 5 分析了仪器测量精度以及稳定性，实验结果表明，在 3-53m 的距离范围内，三 维激光扫描仪和全站仪对混凝土测量的精度一致；同年 Andrew Wong17等人使 用三维激光扫描成功地记录了边坡表面运动和裂缝变化情况，实验表明，三维 激光扫描仪获取的表面运动数据和布设在表面的倾角传感器获得数据能很好的 吻合，通过重叠在不同时段获取的点云数据，将边坡表面运动可以精确记录下 来，取得良好的效果；2008 年 O. Monserrat18等人在总结众多学者研究的基础 上，采

36、用了基于最小二乘的局部曲面拟合方法进行变形研究，实验采用十种不 同形状、不同材质的变形标靶分析了变形分析精度在 1cm 以内，最后对滑坡变 形进行了实验并做出分析；2008 年 Diego Gonzalez-Aguilera19等人通过对三维 激光扫描技术研究，利用 Trimble GX200 三维激光扫描仪结合 Leica TCA2003 全站仪对大坝进了周期变形监测，通过建立监测点获取大坝周期数据，建立模 型利用径向基函数(Radial Basis Function)模型进行分析变形，并进行变形预测， 取得一定成果。 另外，2003 年奥地利应用 RIGEL 公司的 LMS-Z420 远程

37、地面三维激光扫 描仪对 1000m 以外的阿尔卑斯山雪层、冰川变化进行了监测；2003 年 7 月到 2004 年 9 月 Optech 公司利用其 ILRIS-3D 激光扫描系统结合 GPS 对 Miage 湖 边缘冰山北部周围近地面冰崖的移动进行了监测，经过几次重复监测的比较， 实验结果明冰崖发生了移动，在一年多的时间内后退了几十米；美国科罗拉多 州的矿业学院，正在研究开发一种运用激光探测与测距的激光扫描技术的边坡 稳定性控制系统，美国的 Kennecott 能源公司和 3D-P 公司，也为这项研究的开 发计划提供研究开发资金，它们要研究确定便宜的三维激光雷达扫描仪在监控 露天煤矿的高矿壁

38、边坡的实用性和潜力；2006 年 Pagounis Vassilios20等人使用 徕卡 HDS2500 激光扫描仪应用在道路安全分析和交通事故模拟中；2008 年 Nabbout Khaled21等人将三维激光扫描系统应用于城镇规划中，包括道路、铁 路和隧道等测量。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 国内学者也对三维激光扫描数据处理以及在变形监测方面应用进行了研究。 数据处理方面，马立广22系统地对地面三维激光进行了分类，研究了三维激光 河海大学硕士学位论文 6 扫描的误差原理，对点云在边缘信息提取、点云匹配以及点云建模对数据的存 储和检索做了详细介绍；朱凌23等人分析了点云分辨率，主要

39、研究了在点云分 辨率中起主导作用的平面分辨率，得出了计算平面分辨率的理论公式，并通过 实验验证了其正确性；郑德华24-26对三维激光扫描的数据处理进行了系统的 研究，针对三维激光扫描误差分析、数据获取、数据配准、数据缩减、数据分 割、特征提取以及建模等方面分别进行了详细的分析和研究；石银涛、程效军 27等人阐述了全站仪 CAD 建模与地面三维激光扫描建模方式的流程，并对两 种建模方法得到模型的点位误差、几何体误差、整体模型中误差等不同方面进 行分析研究，探讨了地面激光扫描仪应用于大型建筑建模中能达到的精度，以 及适应的场合，通过实验表明三维激光扫描建模方法具有快速、高效，模型精 度较高等优点。

40、 在变形监测应用方面，邱冬炜28等人针对城市地铁变形特点提出了一种整 体监测城市地铁隧道变形的方法，在不中断地铁正常运营的情况下，得到地铁 整个变形区域形变的三维数据，不仅精密监控了隧道衬砌、轨道和道床的形变， 确保行车安全，而且方便地进行了隧道结构和轨道变形的力学分析，从而达到 了解地铁变形机理、掌握形变规律、预测形变趋势的目的；罗德安29-30在分 析了三维激光扫描仪的工作原理及数据采样精度后，详细分析了三维激光扫描 技术在变形监测领域内应用的可行性、技术优势和存在的问题，最后初步提出 了基于三维激光扫描技术的整体形变监测方法基本理论；谭国铨31通过使用三 维激光扫描仪对电厂冷却塔进行扫描

41、，实现了扫描数据与设计数据的比较，确 定了其变形误差的大小。赵群32等人根据国家体育馆大跨度钢屋的自身特点， 采用三维激光扫描法对其滑移过程进行变形监测，实验结果表明用三维激光扫 描法对大跨径钢结构监测是可行的。刘杰33等人针对地面三维激光技术在高层 建筑变形监测中的应用进行了研究，分析了地面激光扫描测量的原理、数据后 处理方法、变形监测方案等，最后通过实验获取高层建筑点云数据，比较分析 了三维激光扫描对于不同材质和不同测量距离的变形监测效果，从而研究了三 维激光扫描技术应用在变形监测领域内的可行性、技术优势和存在的问题。 此外，在 2005 年，北京徕卡测量系统人员与西安四维航测遥感中心的技

42、术 人员使用徕卡 HDS3000 和 HDS2500 两种三维激光扫描仪联合作业，扫描了秦 第一章 绪论 7 始皇兵马俑博物馆的兵马俑二号坑，同时使用徕卡 Cyclone 三维扫描数据处理 软件完成了整个兵马俑二号坑扫描的数据拼接和三维建模，成功地为文物考古 提供了三维技术资料。 1.2.3 当前研究的不足当前研究的不足 目前三维激光扫描技术研究已经深入展开，误差分析、数据获取、数据处 理以及工程应用方面均有研究，但是变形监测方面的研究还较薄弱，通过对国 内外研究现状的分析来看，三维激光扫描在桥梁变形监测方面的研究还存在以 下问题需要进一步研究和解决。 (1) 三维激光扫描精度虽然有所提高，仪

43、器性能也趋于稳定，但是在扫描 过程中影响扫描质量的因素很多，而面对变形监测高精度的要求，如何避免各 方面的负面因素影响，改善数据质量，需要进一步研究分析。 (2) 以三维激光扫描仪为工具的变形监测，目前还没有统一的操作步骤和 流程，因此对特大构筑物进行精密变形监测，全面的监测方案设计需要进一步 展开研究。 (3) 在点云数据处理方面，尽管国内外学者进行了很多研究，但是针对桥 梁监测这种结构大、精度要求较高的特点，仍然没有完善的数据处理方法，研 究如何处理庞大的点云数据，尤其是点云去噪、数据分割、点云数据配准等方 面还是重点研究内容。 (4) 在变形监测中，如何正确、准确地提取变形是一项重要的环

44、节，相对 于传统监测方法的高精度性，怎样利用其独特的整体分析的优势进行预测变形 需要进一步探讨。在算法研究方面，多期数据的对比、变形指标的确定也需要 更深入的研究。 (5) 三维激光扫描技术在变形监测方面缺乏成熟的体系，研究并建立完善 的监测体系，使三维激光扫描技术广泛地在工程中得到应用，仍然是当今研究 的课题。 河海大学硕士学位论文 8 1.3 本文主要研究内容及技术路线本文主要研究内容及技术路线 1.3.1 本文研究内容本文研究内容 本文研究的目的是采用先进的三维激光扫描技术进行桥梁变形监测。在变 形监测方面三维激光扫描在边坡变形、矿区建筑物变形等方面均有较多研究， 但是在桥梁变形监测方面

45、相对较少，本文针对目前存在的问题，引入相对形态 变形的概念，重点研究桥梁变形监测方法和变形量提取，包括数据质量改善方 法、变形监测方案设计、点云数据的获取方法、点云数据预处理以及变形量提 取方法研究等。本文通过大量室内实验，研究了三维激光扫描仪在不同距离、 不同角度、不同目标反射体、不同目标颜色等条件下测量的数据质量的优劣差 别，得出最优越的测量条件，改善测量数据质量。桥梁变形方面，提出监测方 案，获取多期桥梁点云数据，通过数据去噪、配准后，重点研究了桥梁形态变 形分析方法，通过曲面拟合以及 ICP 配准算法分析并提取变形量，实现整体性 分析桥梁变形过程。 本文的主要内容如下： (1) 在分析

46、三维激光扫描数据处理以及在变形监测应用方面的中外文献资 料的基础上，介绍了国内外在三维激光扫描数据处理以及变形监测应用方面的 研究现状，分析研究的不足之处及有待解决的问题，阐述本文的研究目标。 (2) 对目前各种不同类型的地面三维激光扫描仪进行了详细分类，介绍了 5 种厂家生产的 22 种不同类型的仪器性能指标，阐述了三维激光扫描仪工作原 理；详细介绍了论文研究所使用的实验仪器 Trimble GXTM三维激光扫描系统组 成、性能参数、数据处理软件以及支持的数据格式。 (3) 对影响点云精度的各项因素展开研究，包括扫描距离、扫描角度、目 标颜色、目标反射体粗糙程度、激光光束以及外界环境等影响，

47、提出了避免各 种因素影响的方法，提高数据获取质量，并通过系统地实验，进一步验证了分 析结果。 (4) 针对桥梁变形监测设计变形监测方案，研究点云数据预处理方法。数 据获取首先建立高精度的大地控制网，其次利用三维激光扫描仪采集桥梁不同 部位数据。数据预处理包括点云去噪、特征点坐标转换以及数据配准三个方面。 第一章 绪论 9 (5) 研究了桥梁变形量提取方法，通过编程实现数据平面拟合、圆柱体表 面拟合，推导了二次曲面拟合算法。研究基于 ICP 配准算法的变形量提取方法。 1.3.2 本文技术路线本文技术路线 根据本文的研究内容，本文提出了基于三维激光扫描桥梁监测的技术路线， 主要包括三维激光扫描系

48、统介绍、数据质量改善、变形监测方案设计、数据采 集、数据预处理及变形量提取等方面，具体如图 1.1 所示。 河海大学硕士学位论文 10 基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究 Trimble GXTM三维 激光扫描系统介绍 影响点云精度 的因素分析 桥梁监测方案设计 系统组成及指标 系统配套软件 系统数据格式 监测点云数据预处理 点云数据去噪 特征点坐标转换 点云数据配准 总结展望 基于点云的配准 基于目标的配准 桥梁监测数据获取 基于大地坐标的配准 变形分析、提取研 究 国内外研究现状 曲面拟合法 ICP 配准算法 实验验证与分析 GPS 基准点获取 控制网测量 点云数据获取 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 地面三维激光 扫描系统介绍 图 1.1 基于三维激光扫描的桥梁监测技术路线 第一章 绪论 11 1.4 论文组织结构论文组织结构 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