广东省地质局第十地质大队
摘要：伴随激光扫描的硬件设备不断优化升级，三维激光扫描和其他的设备更易集成，采集数据迅速简单，能对点云数据实时处理，快速的建立三维模型，相比于传统的变形监测手段，在变形监测中运用三维模型能更为全面，其智能化、自动化强度较高且实时性较好、精度较高，在变形测量中应用三维激光扫描技术日渐广泛。
关键词：三维激光扫描；扫描技术；变形监测
1前言
三维激光扫描技术和传统的测量手段比较，其具备的优越性较大．主要是采取激光测距的原理来取得目标的数据，并不需合作的目标，可自动、连续、快速的获得数据，有着高精度、高效率、高密度及低成本等优点，能将对象整体的结构与形态特性真实扫描描述出来，准确、快速创建三维数据的模型，能有效预防因点数据分析而导致的片面性与局部性．三维激光的扫描技术已在工程测量、变形监测、地形测量、勘测交通现场、数字城市、桥梁的变形监测、文物和古建筑保护等领域广泛应用。
2三维激光扫描技术工作的原理与分类
2.1 工作原理
三维激光扫描工作的原理与全站仪类似，方式为非接触，经发射高速的激光来获取物体的表面距离、竖直角、水平角以及反射的强度，并自动计算存储获得点云的数据。地面三维激光扫描所采集物体点云的数据是用扫描坐标系做基准，其定义是—坐标原点是激光束的发射处，Ｚ轴是扫描仪理论的竖直轴（水平时天顶的方向），Ｘ轴是扫描仪的水平转动轴零方向，右手的坐标系由Ｚ轴、Ｘ轴与Ｙ轴所构成（定位的原理如图１所示）。其中的Ｓ是原点至被测点距离，θ为扫描仪所测的竖直角度，α是扫描仪所测的水平角度。其单点于扫描坐标系当中坐标的计算公式如图2所示。
2.2分类
2.2.1机载激光扫描
机载激光扫描的系统主要由惯性的导航系统、激光扫描仪、动态差分的 GPS系统、计算机、相机以及其软件等。机载激光扫描能在较短的时间里对大范围且详细的影像信息与三维点的云数据进行采集。机载三维激光扫描具备测量速度快、范围广等特点，然而因其的精度较差且造价较贵，在变形测量中的应用还存在一定难度。
2.2.2地面激光扫描
地面激光扫描为固定式的扫描，其与全站仪类似。经研究人员的大量试验表明，其测量精度能满足变形监测的精度要求，可在变形监测当中应用。现阶段，地面激光扫描于变形监测当中已广泛应用，比如隧道的变形监测与矿区开采沉降的变形监测等。
2.2.3车载激光扫描
车载激光扫描是根据三维激光扫描仪与相机所采集到的数据当三维建模源数据，主要在城市建设与维护中应用。与机载相同，因其精度的问题，车载技术于变形监测当中应用存在着难度，此亦是现在测绘领域所研究的一个热点。
2.2.4便携式的激光扫描
便携式的激光扫描系统为手持式激光测距，其能精确的测量出物体长度及体积与面积等。
3三维激光扫描技术在变形监测当中的方法以及应用
3.1三维激光扫描技术在变形监测当中的方法
从目前三维激光扫描技术于变形监测当中发展的现状看，其主要包括下面三种方法。
3.1.1标靶标志
在研究的区域装设多个均匀分布且稳定的标靶，在不同的时段选择三维激光扫描来扫描研究的区域，于后续的处理当中分辨出标靶将中心坐标提取出来，经各个时段标靶的中心坐标变化对比将变形的信息提取出来。此方法与传统设置监测点方式类似，能同时取得点水平位移的情况且精度较高，然而却不能将三维激光扫描技术自身优势充分的发挥出来。
3.1.2DEM求差法
此方法通常在地表变形监测当中应用，对不同时段的研究区域采用三维激光扫描仪扫描，把多次取得的点云数据通过数据的预处理之后，创建高精度数字高程的模型（DEM），并统一各个时段内DEM的坐标，不同时段DEM对比相减，便可获取全部区域对应的任意坐标下沉的值。可经CAD和Matlab等相关的软件把变形的值制成曲线图、断面图与三维变形的曲面图反映出变形的情况（如图3、图4所示）。
对于不同的时间段内的点云数据所创建的DEM各不一样，有时为对相同的水平坐标点高程的变化对比，需用初始的DEM数据来当作参考，内插计算后面的DEM，即是用某坐标的相邻点高程加权平均值当作此点的高程。时常为研究部分点水平位移或地表水平的移动规律等，往往是与传统的监测法相互结合应用。
3.1.3模型求差
此方法通常在隧道、建筑物等的空间物体变形监测当中用，采取三维激光扫描仪来取得物体点云的数据，数据经预处理之后而生成物体表面的模型或是采取三维建模的方式，把不同时段中的模型在同一的坐标系中统一，对比分析不同时段中的模型能提取出变形量。DEM求差方法其实属于模型求差方法的特别应用。其法用某隧道内的数据为例，如图 5所示。
图5 某隧道DTM模型的生成
3.2三维激光扫描技术于变形监测当中的应用
变形监测采用ScanStation2三维激光扫描仪，其主要包含数据的采集和处理两步．其中主要是处理数据及选择Geomagic的软件进行微观和宏观的分析。
3.2.1数据采集
三维激光扫描的数据采集包括整体采集与局部采集。（1）整体采集，经对布设标靶或是公共点扫描，再在处理软件cyclone5.8中测站拼接，经此方法能够整体的对被扫描物体进行扫描。（2）局部采集，将三维激光扫描仪架设于工作点上，三维扫描特定区域，按照三维激光扫描仪性能参数以及现场的情况来对扫描点密度、扫描站的间距进行设计，确保扫描的重叠度满足要求。经对监测点实施水准及导线的测量，将三维坐标传递．激光扫描同步进行，来获取三维激光点的云数据，并同时获取标靶点的云数据。
3.2.2 数据处理
采用Geomagic Studio与cyclone5.8软件对三维扫描获取的数据进行处理，其处理的环节主要包含：点云数据拼接、去噪、建模３Ｄ比较，以及坐标转化。
（１）当选择数据整体采集时，在cyclone5.8软件当中，经三个以及三个以上公共点将两站扫描的数据在一起拼接，然后再对点云数据进行同一化。当选择数据局部采集时，不需对点云数据进行拼接，能够防止因拼接点云数据而出现一定的误差．
（２）选择三维激光扫描仪采集数据的时候，无法避免噪声点的出现。选择cyclone5.8软件能够对点云数据进行去噪，并且降低数据量．
（３）在对点云数据扫描时，首先选择全站仪测量的监测点与标靶的中心坐标值．采取三个或是三个以上特征点，把三维扫描到的数据转化成当地的坐标，在同一个的坐标系下统一点云数据，如此有利于三维建模和数据的对比。
（４）在Geomagic Studio软件当中，经过相同扫描区域数据的对比，其变形区域能够经过不同色彩而直观得显示出来，由宏观方面对变形进行分析。
（５）提取标靶中心坐标值与特征点，经过对坐标值差异进行分析，将特征点竖向位移的变化与水平位移的变化分析出来，由微观方面对变形进行分析。
4结束语
伴随我国建筑业的不断发展与进步，建筑项目的类型也在不断的增加，也针对其变形监测提出了更高的要求。三维激光扫描技术具备采样速率快、高精度及高分辨率等特点，其在变形监测方面具有较好的应用前景与可行性，并且三维激光扫描技术于变形监测当中应用的理论正在不断的完善和发展，其在变形监测方面势必会引起新一轮技术更新，将先进的技术及时在生产生活当中应用，并且不断对其理论以及实际的使用方法不断进行研究，有着深远的意义。
参考文献：
［1］朱磊，王健等.三维激光扫描技术在变形监测中的应用[J].北京测绘，2014，（05）：78-80
［2］沙华征.三维激光扫描仪在变形监测中的应用[J].湖南城市学院学报，2016，（07）：12-14.
［3］龚英.探究三维激光扫描技术在变形监测中的应用[J].城市建筑，2015，（09）：233.
论文作者:陈加新
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/1
标签：激光论文; 数据论文; 扫描仪论文; 技术论文; 测量论文; 坐标论文; 模型论文; 《防护工程》2018年第17期论文;