变形监测论文作业.doc

评分中国矿业大学（北京）研究生课程考试试卷考试科目 变形监测工程 考试时间 2014年5月 学号 ZSZ130203056Q 姓 名 程 海 涛 所属学院 地球科学与测绘工程学院 类别（硕士、博士、进修生） 硕士 三维激光扫描在变形监测中的应用程海涛（中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院， 北京 100083）摘要：随着测量技术的快速发展，三维激光扫描技术在测量方面的应用日益流行本文研究了三维激光扫描仪在变形监测中的应用。采用RISCO PRO软件进行数据分析和处理。关键词：三维激光扫描；变形监测；点云数据后处理软件Application of3D laser scanningindeformationmonitoring CHENG Haitao(China University of Mining and Technology (Beijing) School of Earth Science and engineering of Surveying and mapping ， Beijing 100083)Abstract: With the rapiddevelopment of measuring technique,the applicationof 3D laser scanning technology in themeasurement of theincreasinglypopular.This paperstudies the3D laser scannerin the deformationmonitoring applications.For the data analysis and processingusing RISCOPRO software.Keywords: 3D laser scanning; Deformation monitoring; The point clouddata processing software0 引言三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。用三维激光扫描技术，可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据1-2。三维激光扫描技术作为正向建模的对称应用，获取的数据可以直接与地理空间信息库连接，作为高精度GIS 数据源。该技术在建筑物三维重建，在考古测量建档、存档，采矿业的地下勘测等不可接触的实物测量方面有着广泛的应用前景3。传统的变形监测，主要基于离散点进行。通过在变形监测中使用三维激光扫描仪，可以全方位地采集数据，对被扫描物体进行整体监测，从而弥补了传统变形监测的片面性和局限性4-5。1 变形监测步骤1.1 三维激光扫描仪扫描原理VZ-4000三维激光扫描仪采用非接触式测量获得物体的点云数据。通过发射器发出一束激光脉冲信号，经过物体反射后传回到接收器，通过时间差，计算目标点与扫描仪之间的距离，控制编码同步测量出扫描的横向角度和纵向角度。根据、的值，计算点坐标：pcoscos， pcossin， pcos。 （1）扫描点坐标计算原理图如图1所示。图1扫描点坐标计算原理1.2 变形监测采用VZ-4000三维激光扫描仪进行变形监测，主要包括数据采集与数据处理两个步骤。其中，关键是通过RISCO PRO软件进行一系列宏观和微观的分析处理。1.3 数据采集三维激光扫描数据采集分为：整体采集：通过对布设的标靶或者公共点进行扫描，在三维激光扫描仪后处理软件RISCO PRO中进行测站拼接，通过此方法可以对被扫描的物体进行整体扫描。局部采集：在工作点上架设三维激光扫描仪，对特定的范围进行三维扫描。根据三维激光扫描仪的性能参数及现场情况设计扫描站间距、扫描点的密度，保证一定的扫描重叠度。通过对监测点进行导线及水准测量，传递三维坐标。同步进行激光扫描，获得三维激光点云数据，同时获得标靶点云数据。1.4 数据处理采用RISCO PRO软件对三维扫描数据进行数据处理，处理步骤包括：点云数据的拼接，点云数据的去噪，坐标的转化，点云数据建模的3D比较。（1）当采用整体数据采集的时候，在RISCO PRO软件中，通过三个及三个以上的公共点把两站的扫描数据拼接在一起，再进行点云数据的同一化。当采用局部数据采集的时候，不需要进行点云数据的拼接，可以避免由点云数据拼接带来的误差。（2）采用三维激光扫描仪进行数据采集时，不可避免会产生噪声点。采用RISCO PRO软件可以进行点云数据的去噪，且减少数据量。（3）扫描点云数据时，首先用全站仪测量监测点和标靶中心的坐标值。使用三个或者三个以上的特征点，将三维扫描数据转化为当地坐标，把点云数据统一在同一个坐标系下，有利于数据比较和三维建模。（4）提取特征点和标靶中心的坐标值，通过分析坐标值的差别，分析出特征点的水平位移变化和竖向位移变化，从微观方面进行变形分析。2 待测物体沉降监测和水平位移监测沉降监测和水平位移监测就是通过定期所采集待测物体、监测点的数据进行数据对比得出待测物体的变形数据。取出前后两次数据的同一个监测点进行比较，也可以把前后两次数据进行再一次配准来比较监测点的三维位移，根据前后两次监测点的三维坐标的差值来确定这两次的监测点的变形，根据这种方法得出历次监测点的变形数据从而可以对待测物体变形分析。3 待测物体倾斜分析3. 1 待测物体倾斜的三个参数待测物体的倾斜变化可以利用待测物体自身所确定的某个平面的三个倾斜参数来确定，即是该倾斜平面与 X、Y、Z 坐标轴所确定的夹角为 、，这样即可以对两次监测的倾斜平面的三个倾斜参数进行对比从而来确定前后两次待测物体的倾斜变化，三维激光扫描变形监测和传统的方法有很大区别，传统的方法一旦倾斜平面确定好了以后更改起来很困难，而三维激光变形监测则不然，因为三维激光扫描系统可以对待测物体全方位的数据采集，所以倾斜平面可以任意选取，这样很方便地对待测物体进行不同部位的倾斜变形分析。3. 2 待测物体倾斜平面的确定利用倾斜平面的方法对待测物体的倾斜分析，关键问题是确定待测物体的倾斜平面，利用三维激光扫描技术进行待测物体的变形监测分析对倾斜平面的获取外业的工作不是很多，关键在内业处理上，数据采集回来后，首先要人为选取好倾斜平面的位置，然后在把数据转入相应逆向工程软件中去，通过对人为选取好的倾斜平面进行逆向工程分析，用拟合或者确定平面的参数来确定所需要的倾斜平面。3. 3 比较前后两次的倾斜参数利用前后多次的待测物体倾斜平面参数比较即可获得待测物体该部位的倾斜变形结果，同样可以利用三维激光扫描的特性选取不同的倾斜平面来对建筑物进行不同部位的倾斜变形分析以获取更多的待测物体变形信息。4 待测物体整体监测待测物体的前几种监测方法只是对离散点或者待测物体倾斜分析，对待测物体整体变形没有涉及，三维激光扫描用于变形监测的一个特点就是对被扫描物体做全方位、整体的数据采集，这样无疑可以对待测物体进行整体变形监测。待测物体整体变形分析可能不能确定比较具体的变形数据，但是通过对待测物体大量信息点的分析，得到待测物体整体变形的信息，从而确定离散点变形监测和待测物体倾斜分析的部位作出预测，可以提高工作效率，弥补传统变形监测的片面性和局限性。4. 1 取两次数据进行整体配准取前后两次待测物体整体数据在逆向工程软件中进行整体配准，笔者推荐用基于控制点特征的配准方法。因为这种方法适合于大场景的数据配准，而且精度较高比较适合于变形监测研究。4. 2 对两次数据进行整体分析用于整体变形监测的数据分析的软件目前还没有，但是笔者找到一种可以替代这种软件的逆向工程分析软件，可以把待测物体的整体数据当作逆向工程软件中的零件来导入逆向工程软件中去，通过逆向工程软件的比对功能分析前后两次数据的不同，通过试验也能达到我们的要求。4. 3 整体变形监测结果在该逆向工程软件中通过前后两次待测物体数据的比对可以形成两种结果，一种是一假彩色来表现待测物体的模型，就是以前后两次待测物体相同部位的点云的距离差值来确定该部位的点云假彩色的颜色，这样就会形成一幅基于前后两次待测物体数据的待测物体整体变形的假彩色三维模型，可以清楚地展示出待测物体各个部位变形的大小。5 结束语将VZ-4000三维激光扫描仪应用在变形监测中，并使用RISCO PRO软件对扫描后的点云数据进行后处理，可以得出，采用三维激光扫描技术进行变形监测，得到的结果与传统变形监测基本一致。同时，将两种方法结合使用，可以从微观、宏观两方面对变形监测进行全面分析，效果良好参 考 文 献1闫利，崔晨风，张毅三维激光扫描技术应用于高精度断面线生成的研究J遥感信息，2007.28（4）：2李必军，方志祥，任娟从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究J武汉大学学报：信息科学版，2003，28(4)：65-693刘盈浅谈地面三维激光扫描技术在市政工程测量中的应用J北京测绘，2008，27(1):67-684毛方儒，王磊三维激光扫描测量技术J宇航计测技术，2005，25(2)：1-65罗德安，