基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究_硕士毕业论文(最终稿)

硕士学位论文

基于三维激光扫描的桥梁

监测方法研究

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

2011年6月中国·南京

分类号（中图法）P23 U D C（DDC）528 密级无

论文作者姓名学号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

指导教师姓名副教授导师单位河海大学地球科学与工程学院

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 Professor Zheng De Hua June.2011 Nanjing P.R.China

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明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。

论文作者（签名）：年月日

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(包括刊登)授权河海大学研究生院办理。

论文作者（签名）：年月日

摘要

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 GX TM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：三维激光扫描技术；桥梁；点云数据；变形监测；曲面拟合；ICP配准算法；

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 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 the 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 3D 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 scanner’s performance index parameters are listed; The fundamental of three types of 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 GX TM3d laser scanning system is introduced including composition、software function and support data formats.

(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) The 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 programming 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 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 fitting; ICP registration algorithm;

目录

摘要.............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................. I I 目录........................................................................................................................... III 第一章绪论 .. (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)

2.1.1 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 GX TM三维激光扫描系统介绍 (18)

2.3.2 Trimble GX TM三维激光扫描系统软件 (19)

2.3.3 Trimble GX TM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 (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)

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)

第四章基于点云的桥梁变形分析方法研究 (49)

4.1基于曲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)

第五章结论与展望 (65)

5.1结论 (65)

5.2展望 (65)

参考文献 (67)

致谢 (72)

附录 (1)

第一章绪论

第一章绪论

1.1 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精

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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，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

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]。

目前比较成熟的传统变形监测手段也很多,传统的方法有全站仪测量、GPS 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

第一章绪论

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

(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 Yaoquan[2]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 Jianfeng[3]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 Reshetyuk[4]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面，1992年Besl和Mckay[5]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，应用范围较大；2002年H-C Kim[6]等人研究了不规则点云的数据分割算法，并比

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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 Hur[7]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 Boehier[8]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. Clark[9]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Natasha[10]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 V oisin[11]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 Gordon[12]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Thomas Schafer[13]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 Lindenbergh[14]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 Lemy[15]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；2007年Roberts Gethin[16]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，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

第一章绪论

站仪对混凝土测量的精度一致；同年Andrew Wong[17]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. Monserrat[18]等人在总结众多学者研究的基础上，采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-Aguilera[19]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边坡的实用性和潜力；2006年Pagounis Vassilios[20]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 Khaled[21]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

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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。

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，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。

第一章绪论

1.2.3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。

1.3 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

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在桥梁变形监测方面相对较少，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 GX TM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，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。

(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

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。

第一章绪论

图1.1 基于三维激光扫描的桥梁监测技术路线

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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 GX TM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。

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