毕业设计论文-三维激光扫描仪在井架变形监测中的应用.doc

山东科技大学本科毕业设计（论文）摘要三维激光扫描仪作为一项高新技术近年来在各种工程应用领域展现了自动化程度高、作业强度低等优点。该技术作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用。本文首先详细介绍了三维激光扫描仪的系统组成、工作原理以及误差来源和观测精度。最后结合实际探讨了使用三维激光扫描仪进行井架变形监测的方法。在这一部分详细介绍了使用三维激光扫描仪的整个过程，包括结合井架形状安置监测球形标志、设置激光扫描仪控制点、数据采集、后期数据处理等。其中激光扫描仪反射体坐标的获取仍然使用传统测量方法，在控制点建立后便可以使用激光扫描仪定期进行监测。关键词：三维激光扫描仪、井架、变形监测76AbstractThree-dimensional laser scanner as a high-tech in recent years in various engineering applications show a high degree of automation, operations and low intensity. The technology as an effective means of access to spatial data, with its fast, accurate, non-contact measurement in many fields, such advantages are playing an increasingly important role. This paper introduces three-dimensional laser scanner system, working principle and sources of error and observation precision. Finally, the article discusses the use of three-dimensional laser scanner for deformation monitoring methods derrick. In this part of the detailed three-dimensional laser scanner using the entire process, including settlement monitoring spherical shape combined with flag mast, set the control point laser scanner, data acquisition, data processing and so late. One laser scanner to obtain the coordinates of reflectors are still using traditional survey methods, After the control points can be used to establish regular monitoring of laser scanner.Keywords: 3D laser scanner,Well shelf, Deformation Monitoring目录1.绪论11.1变形监测技术发展和应用11.2对井架进行变形监测的意义22.三维激光扫描系统32.1三维激光扫描仪的原理32.2 GS200三维激光扫描测量系统92.3软件简介113. 三维激光扫描仪误差及精度分析133.1影响三维激光扫描仪精度的因素133.2三维激光扫描仪精度分析184.三维激光扫描仪在井架变形监测中的应用204.1作业依据204.2已知资料204.3采用的仪器及其测量精度204.4现场勘察214.5建立工程测量坐标系234.6激光扫描仪数据采集334.7数据处理354.8精度评定405.总结426.参考文献437.致谢44附录1.英文原文45附录2.中文译文631 绪论1.1变形监测技术发展和应用变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。其任务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。在精密工程测量中，最具代表性的变形体有大坝、桥梁、高层建筑物、边坡、隧道和地铁等。变形监测的内容，应根据变形体的性质和地基情况确定。对水利工程建筑物主要观测水平位移、垂直位移、渗透及裂缝观测，这些内容称为外部观测。为了了解建筑物(如大坝)内部结构的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容常称为内部观测，在进行变形监测数据处理时，特别是对变形原因做物理解释时，必须将内、外观测资料结合起来进行分析。目前采用的监测方法大致分两种：一种是基于力学的力学参数监测方法，即传感器法；另一种是基于变形测量理论的几何测量方法。目前的这两种方法存在许多问题，直接影响监测的效果。传感器法变形监测具有自动化、高效、劳动强度低等优点。但是传感器的埋设工艺、匹配与耦合问题，抗干扰问题，传感器维护及服务年限问题，精度、灵敏度与可靠性问题等都不尽人意。目前采用的几何监测法，可直接测量变形，比较直观，测量结果可靠、工艺比较简单、造价低廉，但观测时间占用井筒，无法实施三维整体监测。比如可以使用倒垂钢丝，给出一条观测基准线；在井壁适当位置设置观测点，用专用仪器测定观测点与倒垂钢丝间的相对变形值，通过各项计算获得井筒变形的变形信息。与传统的监测方法相比使用三维激光扫描仪具有自动化程度高、作业强度小等优点。更重要的是，激光扫描仪可以获得变形物体的三维坐标数据，从而可以更快捷更有效的对变形体进行监测。1.2对井架进行变形监测的意义在测量工程的实践和科学研究活动中，变形监测占有重要的位置。工程建筑物的兴建，从施工开始到竣工，以及建成后整个运营期间都要不断地监测，以便掌握变形的情况，及时发现问题，保证工程建筑的安全。而作为煤矿重要生产设施的立井井架承担着煤矿人员和物质的运输任务，井架的安全状况直接关系到煤矿生产和人员安全。井架长期负重并且遭受各种自然因素的侵蚀，特别是一些煤矿对工业广场的保护出现问题，造成工业广场地面不均匀沉降；以上各种因素均不可避免的引起井架的变形。为了检查各种井架的稳定性，及时发现问题，以便及时采取补救措施并且为了更好的理解变形的机理，验证有关工程设计的理论，以及建立正确的预报变形的理论和方法，应对井架进行变形监测。2 三维激光扫描系统一个完整的三维激光扫描系统有以下几部分组成：三维激光扫描仪、数据处理软件、笔记本电脑.、三脚架、电池和充电器、反射标志。其中三维激光扫描仪是整个系统的核心，它直接决定了扫描数据的精度和整个数据采集工作的组织协调。2.1三维激光扫描仪的原理激光扫描测量技术是迅速发展起来的一项高新技术，西方发达国家已将这一先进技术用于对地观测系统和快速获取特定目标的立体模型中。我国在863计划中也重点支持了这一研究方向。这一领域技术的发展为人们在空间信息的获取方面提供了全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动获取数据，提高了观测的精度、速度；其应用范围也扩展到工业测量、测绘、智能交通等诸多方面。由于激光三维技术为测绘领域开拓了一片新的技术天地，引领了新的技术发展方向，因此国内无论是学科领域还是商业部门都产生了高度重视和浓厚兴趣。近几年，不少相应技术成果和产品也分别问世。目前，国际上许多公司、研究机构己投人大量的人力和财力进行相关技术与系统的研究开发，并推出了自己相应的产品。其中美国徕卡CYRA公司的cyrax系统和法国的MENSI系统在国内外各项工程领域知名度尤为显著。三维激光扫描仪采用极坐标法采集数据，这些数据与普通的图片数据不同它包括物体表面一点的三维坐标信息和激光反射强度，我们称之为深度图像。三维激光扫描仪连续扫描，大量的深度图像就组成了点云数据。下面将分别介绍三维激光扫描仪的各部分原理。1、扫描仪坐标系。为了确定被测物体的三维坐标，三维激光扫描仪的必须建立参数已知的内部坐标。如图2-1。P(x,y,z)SO图2-1 激光扫描仪内部坐标系三维激光扫描系统由三维激光扫描仪和配套软件组成。仪器内部有激光器和旋转轴互相正交的两个反光镜。窄束激光脉冲在反光镜作用下,沿纵、横向依次扫过被测区域。物体漫反射的部分激光能量被三维激光扫描仪接收。测量激光脉冲从发出到返回仪器所经过的时间,可以计算出仪器和物体间的距离S；同时测量每个激光脉冲与仪器固有坐标系X轴的夹角,XOY面的夹角,可以由式2-1、2-2、2-3算出被测物体表面点的三维坐标。根据扫描点的激光反射强度,给反射点匹配颜色。扫描点绘制在屏幕上,组成密集的“点云”。用扫描仪的配套软件在点云图内直接完成物体长度、直径等几何量的测量及概念设计。X=Scoscos（2-1）Y=Scossin（2-2）Z=Ssin（2-3）2、斜距,激光扫描仪可以通过坐标系统确定角度，而要得到某点的坐标值还要测得距离。测量距离的方法有“时间法”和“三角形法”。下面分别介绍两种方法的原理。（1）时间法：如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示：D=ct/2（2-4）式中：D：测站点A、B两点间距离。c：光在大气中传播的速度。t：光往返A、B一次所需的时间。由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。相位式激光测距是用电磁波波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，如图2-2所示。激光器距离显示调制器鉴相器图2-2 相位式激光测距原理相位式激光测距一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。若调制光角频率为，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为，则对应时间t可表示为：t=/（2-5）D=ct/2=1/2*c/=c/4 f*(N+)=c/4f*(N+N) （2-6）：信号往返测线一次产生的总的相位延迟。：调制信号的角频率，=2f。U：单位长度，数值等于1/4调制波长。N：测线所包含调制半波长个数。：信号往返测线一次产生相位延迟不足部分。N：测线所包含调制波不足半波长的小数部分。在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4f)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使的测量达到很高的精度一般情况下相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束，为了获得测距高精度还需配置合作目标。目前，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过100m，且能快速准确地直接显示距离，采用数字测相脉冲展宽细分技术。（2）三角法：利用三角形几何关系求得距离。先由扫描仪发射激光物体表面，记录入射光与反射光之间的夹角，利用在基线另一端的相机接收物体反射的信号，且激光光源与CCD之间的基线长度经测定已知，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间之距离。原理如图2-3所示。反射镜感光元件透镜被测物体激光图2-3 三角法激光测距原理与时间差系统不同的是，此种方法的扫描仪在近距离（小于2m）的精度比时间差系统为佳，通常其最大测距范围也较短。测距精度与本身基线长度有关。与时间差系统相同，量距误差仍随着距离增加而增。目前采用这种方法的商业化扫描仪有MENSI S10、S25。3、深度图像，根据激光反射信息经内部软硬件的处理，可以得到深度图像。深度图像是图像的一种，因而也遵从图像的基本格式，即是由一组按照矩阵形式逐行逐列进行组织的像素构成。与常见的灰度图像的不同之处在于两者的像素所表示的内容不同。灰度图像像素值表示的是该点感光的强度或灰度；距离图像像素值则表示了扫描点的距离信息，当然表示距离信息的方式也可以有多种形式，比如可以直接记录一个距离值的标量，也可以记录下该点的三维坐标值，这取决于获取深度图像的激光扫描仪。深度图像表示：图像的像素是一个四维向量，即：P(i,j)=F(x,y,z,r)（2-6）其中，(x,y,z)表示实际扫描点在当前扫描仪位姿定义的坐标系下的三维坐标，r则表示该扫描点反射后返回的激光的强度。4、点云点云是在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。结合激光测量和摄影测量原理得到点云，包括三维坐标（XYZ）、激光反射强度和颜色信息。点云的属性包括：空间分辨率，点位精度，表面法向量等。在获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到的是一个点的集合，称之为“点云”。5、坐标系转换各种扫描仪的最大扫描距离并不相同，扫描方式亦有所异，如Optech ILRIS3D采用固定视角扫描、Mensi GS200具有水平方向360度旋转扫描的功能。但是无论如何，从一个观测位置通常并无法完全观测完整的物体表面，如桥梁、油槽往往需要结合数站的扫描数据。所以在实际进行扫描作业时，往往会从好几个不同观测位置，或同一位置但是不同视角，进行扫描，而得到不同面向的点云数据，再经由内业处理接合成一个完整的表面模型。作业方法大致分为两种：（1）在两个不同点云资料重叠处，利用人工进行同名点的选取，进行坐标转换。同名点可以是点云中特征点为对象，或摆放反射标志为转换的控制点，将不同视角的点云资料结合在一起。在扫描仪所搭配的软件中，大多都具有此项功能供使用者进行拼接作业，如RealWorks Survey。（2）在两个不同点云数据重叠区域，利用特征提取算法自动选取同名点进行坐标转换。先指定一组作为起始点云，经由计算，求出第二组点云中每个点其相对应于第一组点云的最近点及转换参数，并经由反复迭代过程，来缩小叠合误差，直到满足收敛条件为止。基于这个原理，将不同视角的点云资料进行拼接，取得相对应之最近点，以实现点云的拼接。第一种方式，因为该点可以为已知物物方坐标的点，故可进行绝对几何定位。其缺点为激光扫描所得不一定为扫描图像所见的特征点，两组点云间也可能不存在一对一对应。因人工测量所导入的量测误差，也随点位状况而有变化。如采用布设反射标志时，则标志材质及形状得选择根据需要而定。第二种方式，适用于建立相对性坐标系统的建立，如已有一组点云已经绝对定位，则自动匹配可应用于后续点云组与之拼接。自动匹配时，存在匹配失败的可能性，点云中点位分布及其它几何因素的影响，所以在规划时应该作出分析和预估。2.2 GS200三维激光扫描测量系统我校引进了美国Trimble公司研制开发的GS200三维激光扫描测量系统，该包括以下几个组成部分，如图2-4所示。图2-4 GS200三维激光扫描测量仪1、GS200三维激光扫描测量仪Trimble GS200三维激光扫描测量仪是一种新型测绘仪器，测程一般为1到200，在超长扫描条件下可达到350，适用于中长距离测量。扫描速度与扫描测量仪扫描时设置参数有关，参数设置不同，扫描速度有较大差异。同时，具有水平扫描视角和的垂直扫描视角，使用Class 2和Class 3R 两种类型激光进行扫描。该激光对人体皮肤没有损害，但是对眼睛具有一定的危害性，使用时应尽量避免眼睛直视。内置CCD，可以同时采集被测物体的色彩灰度和反射强度信息，并赋值给每一个点。GS200三维激光扫描测量仪在很短的时间内可以获得物体表面大量的三维坐标。2、计算机利用数据采集软件，控制扫描测量仪的扫描测量，并对观测数据存储和处理。为便于野外作业，一般采用便携式笔记本电脑。扫描测量仪和计算机之间的数据传输通过协议在网络中进行数据传输，在采集数据之前，需要正确设置计算机的IP地址。3、电源系统GS200三维激光扫描测量仪有两套供电设备，一套为交流电源供电，由两根电缆和电源转换器组成，输入电压为AC 90240VAC，5060Hz；另一套为一根电缆和2块12V铅酸蓄电池组成，输入电压为DC24V。4、其它附件Gitzo-G1548三脚架，用于安置扫描测量仪。该脚架架腿由碳纤维材料制成，分四节组成，可伸缩，质量为，折合高度，最大高度，最小高度。Trimble专配目标板和目标球，采用高反射率材料制成，用于坐标系配置和不同测站测量点云的匹配，如图2-5所示。 (a) 目标板 (b) 目标球图2-5 Trimble专配目标Fig 2.3 Trimble target and sphere目标板是一个外部尺寸为15cm15cm，内部反射圆半径为6.9cm的平面纸板，外部绿色位置不具备反射特性，测量后没有点云信息，内部圆形位置为高强度反射涂层，测量后形成点云数据，可以通过全站仪测量其坐标，由于其不能旋转，不能实现全方位测量。目标球为一个直径为76.2cm的白色球体，由高反射材料制成，底部基座为磁性材料，可方便得放置于铁质测量物体上，稳固且不易移动，支持全方位扫描测量，但不利于普通全站仪测量。在使用激光扫描仪进行测量工作时应尽量使用球形标志，因为目标板是从两个方向进行拟合从而得到圆心，而目标球是从X、Y、Z三个方向进行拟合从而得到球心的位置。显然使用目标球可以获得更好的测量精度。2.3软件简介1、Realworks后处理软件Realworks 5.0软件主要由配准和室内测绘两个模块构成，配准模块通过多测站中三个以上相同目标点来实现不同测站点云配准，目标点可以人工选取，也可以是已测量的目标球或目标板；室内测绘模块可以针对不同应用目的，生成相应的测绘成果，如提取不同类型的二维图形（多边形、等高线、平面截取线、剖面线等），将二维图像与点云匹配生成一副或多幅正摄影像，计算点云的体积，对比两个点云并生成检测图等等。2、PointScape PointScape软件用于控制三维激光扫描测量仪进行数据采集，可以方便地进行扫描测量范围和扫描参数的设置，该软件支持Trimble目标板和目标球的自动识别，扫描过程中自动提取纹理等功能。以上两种软件为三维激光扫描仪的自带软件，它们提供了扫描仪工作控制和数据的处理等功能。此外，为了对数据进行进一步的加工处理还可以使用3Ds max三维建模软件对得到的点云数据进行进一步的处理。3D Studio Max，常简称为3ds Max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件，最新版本是2011。在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3DS MAX被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作，深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是3DS MAX的杰作。在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3DS MAX的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3DS MAX的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些；影视特效方面的应用则把3DS MAX的功能发挥到了极至。3 三维激光扫描仪误差及精度分析3.1影响三维激光扫描仪精度的因素计算机视觉测量的原理不是十分复杂，但是要进行高精度的测量，却是一项难度很大的工作。影响三维激光扫描系统测量精度的因素较多，主要表现在离散误差、环境光背景噪声、特征图像提取的误差、标定误差、表面散斑、图像信号的稳定性以及双摄像机的安装装置对精度的影响等方面。本节将对一些主要影响因素进行深入分析。1、图像中心(Cx,Cy)偏差的精度影响图像中心一般是不可能正好在帧存图像中心的，都会有一定的偏差，图像中心的偏差也即（Cx,Cy）的定位问题，在二维图像的识别或测量中，不会带来问题。但是在三维视觉中，图像中心的确定则要求相对严格。根据相关研究报告报告，对精度要求不高的三维测量系统或物体距摄像机比较近的视觉系统而言，图像中心的偏移如果在10象素之内的话对测量结果的影响不是太明显，但是在工业应用摄像机中，图像的中心有些不是仅偏移10个象素有的多达40个像素。在实际的三维测量中，由图像中心偏移带来的误差还取决于其他的光学系统的特征参数。下面应用数学手段具体分析图像中心偏移导致的误差。假设(Cx,Cy)是与实际的图像中心的偏差，那么：X=X+VC=(1+kR)(x+VC+VC) （3-1） Y=Y+VCx=(1+kR)(y +VC+VC) （3-2）根据约束条件，可以得到：YxY （3-3）其中：r，r，t，tt （3-4）a=VC/f ，b=VC/f （3-5） （3-6）由以上式我们可以得到由于图像中心偏移（C，Cy）引起的残差：Res=k （3-7）其中：k （3-8）其中，常数kx，ky取决于特定的实验装置，k是镜头畸变的参数。从以上分析，我们还可以看到，旋转矩阵由于图像中心偏差已经发生了变化，变化的程度决定于和。2、镜头畸变影响在高精度的视觉测量中，为了能使像的信息正确描述空间物点，前提是摄像机系统必须是准确的。但在工业应用的光学系统中，由于加工、装调工艺的限制，往往会有光学畸变，镜头的畸变会随视场的增大而迅速增大，虽然畸变并不影响图像的清晰度，但是光学系统有畸变，直接影响成像的几何位置精度，从而影响测量结果。为了提高测量精度，可以采用更精密的光学镜头，但价格非常昂贵，而且只是减小镜头畸变而已。因此，考虑利用计算机修正光学系统的畸变是一种既经济又可行的方法。实际工业应用中的镜头都是有畸变的，对于中距离普通质量的镜头，在边界大概有13个象素大小的畸变误差，在使用广角镜头时，在图像边界的畸变误差会更大。三维激光扫描系统中，采用的视觉模型也考虑了镜头畸变的影响，但是从理论上由于图像中心的不确定性，导致计算由于畸变引起的偏移位置（或象素）不准确。在实际应用中，镜头的畸变是很复杂的，不可能是理想的径向畸变。因此，在实际应用中可能会出现某些区域校正不足，有些地方又矫枉过正，而这些图像目标像点位置的误差，哪怕是很微小的误差，在结果中都有可能被放大许多倍，从而导致系统测量的精度变差。因此，在高精度的测量中，必须对镜头的畸变进行充分周到的校正处理。3、摄像头景深对精度的影响在现实当中，观赏拍摄的影像是以某种方式(比如投影、放大成照片等等)来观察的，人的肉眼所感受到的影像与放大倍率、投影距离及观看距离有很大的关系，如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影像产生的模糊是人眼不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。根据镜头成像的理论，焦点只有一个，即唯有调焦目标才能在像平面上结成清晰的影像，但实际上，焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换句话说，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影像模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。更通俗的讲，景深是指当某一物体聚焦清晰时，从该调焦目标前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都是相当清晰的。焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深。摄距与景深成正比。摄距远，景深大；摄距近，景深小。例如聚焦于100cm的景深大于聚焦于10cm的景深。镜头焦距与景深成反比。镜头焦距长，景深小，镜头焦距短，景深大。例如焦距12mm的镜头其景深效果小于焦距8mm的镜头。此外，放大倍率的大小，与景深大小也密切相关。小倍率放大制取照片或图像时，景深就大些；采用高倍率放大制取照片时，景深就小些。光圈、摄距、镜头焦距等因素对景深影响的规律，均是相对而言的，即在其它几个因素相同时，另一因素对景深大小的影响规律成立。否则这些规律就不一定成立。摄距与景深成正比的规律还有一个前提，这就是摄距在超焦点距离以内。如果摄距超出了超焦点距离，那么，摄距越远，景深不是越大，而是越小，与原规律相反了。根据透镜成像的高斯式，以主点为原点则有式3-9。 （3-9）其中f为透镜的焦距，v为像距，u为物距。在理想情况下，对于焦距为f的镜头，位于距光心为v处的像平面上一点，仅与距光心为u处一个物点相对应。实际上，景深决定于图像器件的空间分辨率。假设圆斑的直径为b，光圈的直径为d，焦距为f，理想的成像平面到光心的距离为v。现在如果把像平面向镜头靠拢，至v1处，则根据三角形相似原理有：b=（3-10）从像平面从v移动到v1，根据式（3-9），我们可以分别推出相应的u和u1。于是可以得到式（3-11）。b=（3-11）假设b是容许弥散圆的最大直径，则从式（3-11）解出u1，可以得到距光心最近的那个临界值的距离，不妨称为近景深：u=（3-12）同样的，为了计算距光心最远的临界距离（即远点距离）不妨称为远景深，我们把像平面沿远离镜头的方向移动到v2处，则根据三角形相似原理，有：b= （3-13）从像平面从v移动到v2，我们可以分别推出相应的u和u2，有：b=（3-14）从上式解出u2求得远点的距离：u（3- 15）于是，镜头的景深就等于远点减去近点的距离，也即u2u1， D=（3- 16）一般三维激光扫描系统工作时的距离是150mm左右，故根据式(3-12)和(3-15)可得：uuD=u2u1=154.51145.73=8.78mm如果扫描的物体超出摄像机的景深，那么超出景深部分将变得模糊不清，对其特征提取造成了很大的困难，就算提取成功也无法保证其准确的成像位置，这给扫描带来极大的困难。因此，如果要克服景深这个问题，应该是根据扫描对象选择合适的镜头和CCD。如果对象是未知的，也正是和本文所研究的三维激光扫描系统的测量对象一样是未知的，则为了保证其对象在摄像机的景深范围之内，我们可以考虑其他的解决方法，比如考虑z轴的随动，即控制z轴沿着物体的高度轮廓运动，使物体的成像都在景深范围之内。4、被测物体表面特征对测量精度的影响被测物体表面的粗糙度、颜色、材质、倾斜角度影响激光扫描线的成像，是测量精度的重要因素。研究表明颜色浅的物体测量数据偏大，颜色深的物体测量数据偏小，相对于白色，黑色的测量结果明显偏大；蓝、绿、紫三种颜色的测量结果也偏大，但偏离程度较小；黄色的测量结果与白色基本一致；红色的测量结果小于白色，颜色越深对测量结果的影响越大。3.2三维激光扫描仪精度分析1、平面测量精度根据三维激光扫描测量仪观测的点云数据，采用最小二乘法求得平面方程的系数。设平面的数学表达方程为（3- 17）其中：平面方程系数； 平面上点的三维坐标。因此第个点的误差方程为 （3- 18）按照最小二乘法可组成法方程为（3- 19）式中为被扫描平面点云中点的个数，x，y，z是点云中点的三维坐标。按照式（3-17）可以求出平面方程的系数。点云中点到该拟合平面的距离为（3- 19）2、 测角精度对于天宝GS200激光扫描仪，在其初始位置的180方向位置上，测角精度较低，测角中误差达到；在其初始位置左右各90方向内，测角精度较高，测角中误差约为。3、 最大测程对于Trimble配备的目标板，其反射强度高于普通物体，扫描测量仪可以接受到激光的反射信号，对于放置目标板的木箱，由于其反射强度较低，扫描测量仪不能完全得到木箱的点云，只能得到其部分点云。通过检测，GS200三维激光扫描测量仪的最远测量距离为350。4 三维激光扫描仪在井架变形监测中的应用4.1作业依据1、中华人民共和国国家标准工程测量规范（GB50026-93）。2、原国家煤炭部批准发布的煤矿测量规范。3、天宝GS200使用说明书。4、RealWorks Survey教程。5、Trimble PointScape教程。4.2已知资料已知某煤矿以下资料：1、建矿初期施测的该矿区控制网资料。2、该测区国家、等控制测量、水准测量资料表4-1 已知点位坐标表点名纵坐标X横坐标YAXYBXY4.3采用的仪器及其测量精度1、天宝GS200三维激光扫描仪（1）短距测距中误差为0.04mm，200米测距中误差为0.1mm，点位中误差0.2mm。（2）在其初始位置左右各90方向内，测角精度较高，测角中误差约为，扫描测量仪在其初始位置的180方向位置上，测角精度明显降低，测角中误差达到。2、用于数据处理和存储的计算机。3、电源系统。4、附件：主要包括激光扫描仪专用目标板和目标球、三角架。5、水准仪：TOPCON DL-101C 自动安平精密电子水准仪(精度 0.4mm/km)，配以TOPCON S1-3条形码铟钢水准尺。6、全站仪：德国Ziess Elta C20全站仪，测角精度1，测距精度：2mm + 2ppm。4.4现场勘察明确测量任务及应用目的后，需要对测量对象进行现场勘查。根据测区地形特征和测量对象的分布情况，考虑控制点和扫描测量仪安置位置的布设方案。布设控制点时要确保控制点分布在扫描对象的周围，不能分布在同一高度上，Trimble标准目标球和目标板测量距离一般为80以内，在恶劣测量环境下，测量环境一般为30-50。控制点的数目一般为3-5个，以保证数据拼接的精度，控制点少于3个不能进行不同测站数据拼接，多于5个，则延长测量时间，降低工作效率，也不能更好得提高数据拼接精度。天宝GS200扫描仪所使用的反射体呈圆形，该反射体作用有两个：第一，可以作为连接点将多个扫描站之间的数据进行连接；第二，类似于常规测量中的控制点，将全站仪测出的反射体坐标以文本格式导入点云处理软件RealWorks Survey，系统自动根据反射体与点云间的相对关系，传导出所有点云的坐标值。扫描时反射体的布置，须充分考虑当时的地形地貌形态，尽可能使反射体呈环形均匀布设，距离远近不一，高度不同；同时应使相邻扫描站获取的相同反射体数量大于3个，这样才有利于扫描站之间的数据拼接，并可以以此为依据计算出相邻扫描站之间的拼接误差，以此来检验相邻扫描站之间的数据结合是否超过了可允许限差。同时注意观察测量对象的特点，在满足应用需求的基础上，合置安置扫描测量仪的位置，既能使测量数据包含测量对象的完整信息，又要尽量减少测站数目，以减少不同测站数据的拼接误差。立井井架一般为矩形，根据激光扫描仪的最佳观测精度可以在井架四周设置两个测站如图4-1所示：图4-1 激光扫描仪测站示意图在主井架两个相互垂直的外墙立面上（如西侧和南侧立面），分别埋设上、中、下三组共6个标志点，如图4-2所示：图4-2 变形监测点示意图4.5建立工程测量坐标系为了拼接各测站的点云数据以及获取监测点在水平方向和竖直方向的变形程度应根据矿区已知控制点建立本次变形监测的工程控制网。在这里需要注意的是平面控制点和高程控制点应选相同的点，只有这样才可以通过平面测量和高程测量的方式得到控制点的三维坐标。4.5.1控制点平面测量平面控制测量使用全站仪进行，在按规范要求对待测点观测完角度后应对所观测的数据进行数据处理和精度评定。在地面上选择一条适宜的路线，在其中的一些点上设置测站，采取测边和测角方式来测定这些点的水平位置的方法。它是几何大地测量学中建立国家大地控制网的主要方法之一，也是为地形测图、城市测量和各种工程测量建立控制点的常用方法。导线上设置测站的点称为导线点。测量每相邻两点间的距离，并在每一点上观测相邻两边之间的夹角，从一起始点坐标和方位角出发，利用测量的距离和角度，便可依次推算各导线点的水平位置。为建立国家大地网以及某些城市测量和工程测量所实施的导线测量，称为精密导线测量。1、全站仪使用注意事项：(1)仪器应由专人使用、保管。(2)迁站、装箱时只能握住仪器的支架，而不能握住镜筒，以免影响仪器精度。（3)不要将望远镜正对太阳，否则会损坏内部电子元件。(4)旋转照准部时应匀速旋转，切忌急速转动。(5)高温天气时仪器必须撑伞作业，否则仪器内部温度容易升到6070，从而缩短使用寿命。高精度测量时，都要给仪器和脚架遮挡直射的阳光。(6)任何温度的突变都会缩短仪器测程或可使仪器受潮，注意使仪器有一个适应环境温度的缓变过程。 (7)运输仪器时应有防震垫，以防震动和冲撞。(8)长期不用仪器时应定期通电，依季节每13个月通电一次，每次约1h，电池应定期充电。(9)清洁镜头时先用毛刷刷去尘土，然后用洁净的浸有无水酒精(乙醚)的棉布擦拭。(10)清除箱中尘土时不要使用汽油或稀释剂，应用浸有中性洗涤剂的清洁剂清洗。(11)其他使用注意事项同光学经纬仪。2、全站仪数据处理外业测量工作完成后，室内将全站仪通过传输线与计算机相联，使用专门的传输程序，将数据存储到计算机中。内业数据处理时，为方便编写程序处理，可将数据整理成固定格式。然后就可以应用编制的程序对数据进行成果计算，进而计算出各项误差，对各项误差做出分析。导线网，包括单一附合导线、单一闭合导线和结点导线网，是目前较为常用的控制测量布设方式之一，其观测值有长度观测值和角度观测值。在实际的工作中应根据矿区实际情况建立合适的导线网。(A)单一附合导线条件平差sssssAA(1)234nC(n+1)D图4-3 复合导线示意图如图4-3所示，在这个导线中有四个已知点、n -1个未知点、n+1个水平角观测值和n条边长观测值，总观测值数为2n+1。从图中可以分析，要确定一个未知点的坐标，必须测一条导线边和一个水平角，即需要两个观测值；要确定全部n -1个未知点，则需观测n -1个导线边和n -1个水平角，即必要观测值数t = 2n -2；则多余观测个数r = (2n +1) t = 3。也就是说，在单一附合导线中，只有三个条件方程。下面讨论其条件方程式及改正数条件方程式的写法。设AB边方位角已知值为TAB = T0，CD边方位角已知值为TCD、计算值为Tn+1，B点坐标的已知值为(，)或者(x1，y1)，C点坐标的已知值为(，)、计算值为(xn+1， yn+1)。三个条件中，有一个方位角附合条件、两个坐标附合条件。方位角附合条件：从起始方位角推算至终边的方位角平差值应等于其已知值，即T-T=0 （4-1）纵横坐标附合条件：从起始点推算至终点所得到的坐标平差值应与终点的已知坐标值相等，即x （4-2） y （4-3）（1） 方位角附合条件式 （4-4）则(4-1)式可写为 -T=0 （4-5）整理得v （4-6）（2）纵坐标附合条件式： cosT.vs （4-7）上式即为纵坐标条件方程式，也可写为统一形式：cosT.vs （4-8）w （4-9）（3）横坐标附合条件式写出横坐标条件式cosT.vs （4-10）w （4-11）综上所述，单一附合导线的平差计算的基本程序是：(1)计算各边近似方位角Ti和各点的近似坐标增量值xi、yi。(2)参照（4-4）写出方位角条件式，参照（4-7）、（4-8）、（4-9）、（4-12）或者（4-10）、（4-11）写出纵横坐标条件方程式。(3)按照条件平差计算的一般程序，计算最或是值并进行精度评定。（B）单一闭合导线条件平差单一闭合导线是单一附合导线的特殊情况。如图4-4所示。SSSn-1S432B(1)(n+1)An图4-4 闭合导线示意图图中有一个已知点和n-1个待定点，观测了n个转折角和n+1条导线边。为了定向，还观测了一个连接角1。不难分析，闭合导线中也只有三个多余观测值，产生三个条件式。由于没有多余起算数据，因此没有附合条件，只有闭合条件，这一点是与单一附合导线不同的。（1）多边形内角和闭合条件由于导线网构成了多边形，其n+1个转折角的平差值应满足多边形内角和条件 （4-12）写成转折角改正数条件方程形式w （4-13）其中： （4-14）（2）坐标增量闭合条件从B点开始，依次计算每一条边的纵横坐标增量的平差值，其总和应分别满足如下关系：（4-15）（4-16）参照单一附合导线纵横坐标附合条件推导方法，可以得出坐标闭合条件的改正数条件方程式： cosT (4-17) sinT (4-18) w (4-19)w. (4-20)如果S、x、y以米为单位，w、vS、v以厘米为单位，则（4-17）和（4-18）两式可写为： （4-21) （4-22）3、精度评定全站仪测量精度评定内容主要包括：测距精度、测角精度和点位精度。（1）测距精度测距仪的内部符合精度和外部符合精度可建立如下关系： （4-23）为仪器的外部符合精度，等于仪器的标称精度。于是，一测回各次读数较差就应为： （4-24）若取测回数，则测回间的较差可表示为： （4-25）（2）测角精度角度测量中值常用来检查仪器的稳定性和观测成果的质量，其表达式为： (4-26)，为同一测回中，同一目标的盘左与盘右的读数。限差检测中，常用一测回值互差进行衡量，下表是在对于三等变形测量，工程测量规范中关于半测回归零差、一测回值互差、同一方向各测回互差和角度中误差的限定。表4-2：角度观测限差表等级半测回归零差/()一测回值互差/()同一方向各测回互差/()角度中误差/()三等变形监测6962.5（3）对于全站仪，其点位精度衡量式： m (4-27)m (4-28) 4.5.2控制点高程测量1、水准作业要求:（1）观测之前应将仪器置露天阴影处，使仪器与外界气温一致，观测时应用测伞遮蔽阳光，迁站时应带上仪器罩。（2）路线拐弯处外，每一测站上仪器和前后视标尺的3个位置应尽可能接近于一条直线。（3）同一测站上观测时，不能重复调焦。转动仪器的倾斜螺旋和测微轮时，其最后旋转方向应为旋进。（4）每一测段的往返测，测站数应为偶数，否则应加入标尺零点差改正。由往测转为返测，2根标尺必须互换，并应重新整置仪器。（5）在观测工作间歇时，最好能结束在固定水准点上，否则应选2个稳定可靠的固定点，作为间歇点，应对2个间歇点的高差进行检测，检测结果符合要求后从间歇点起测。（6）在选择水准路线时，尽量避免高的电磁发射源，如信号发射塔，高压电线等，以减少对电子水准仪中电子设备的干扰。水准路线的闭合差根据其布设的形式的不同而有不同的计算式。(1）对于附合水准路线，设由A点到B点的观测高差为，而A点到B点的已知高差为，理论上两者应该相等，但由于在实际过程中的观测误差的存在（闭合差），用表示为： (4-29)(2）对于闭合水准路线，实测的高差总和理论上应为零，但实际上应误差的存在而有闭合差，用表示为： =(4-30)(3）对于水准支线，其方法是采用往返测的方法，往返测的高差总和的绝对值应相等而符号相反，否则，其代数和就是闭合差，用表示为：= （4-