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摘要：三维激光扫描仪比传统勘测技术，在效率与成效方面有着极大优势，能同时确保所测数据的准确性，且适用于各类环境，因此，在多方领域均能发挥其作用。本文主要对三维激光扫描仪应用于变形监测进行探讨。
关键词：三维激光扫描仪；变形监测；发展
三维激光扫描技术突破了传统的点式数据采集模式，具有获取数据速度快、无接触、高密度等特点。应用该技术开展变形监测工作，可大范围高密度获取变形体表面三维数据，判断出变形区、变形趋势及量值。尤其在高陡山区、临界威胁大的变形体，对布点困难区进行有效监测，及时获取变形值，在确保作业人员安全的同时能大幅提高监测效率。但因行业差异和关注重点不同，对监测点云精度的工程要求、数据分类的利用及技术指标规范等存在认识和需求差异。
1.监测优势与应用现状
整个三维扫描系统由以下几部分共同组成：1台激光测距仪；一组激光反射棱镜；1台水平方位角控制器；1台高度角偏转控制器；1台数据输入输出处理器；1台数码相机。
1.1应用于监测的优势
变形监测特点是时效性、高精度和等精度，而三维激光扫描技术符合此特性，如无需事先埋设监测点、无接触、监测速度快、高密度点能反映变形总体趋势等。
1）无需埋设监测点。三维激光扫描能够获取大面积、高密度的海量点云，可采用变形体表面物体特征形体（如建筑物、永久地物或岩体结构面）的特征信息替代设定点而实现监测。
2）监测速度快。激光的采样点速率每秒可达到数千甚至数万，是传统测量方式无法比拟的，可大大提高监测区域内的数据采集效率。
3）无接触。三维激光扫描测量无需接触被测物体即通过主动发射激光探测发射的激光回波信号直接获取物体表面的三维坐标，可以解决高陡危岩、临滑威胁大的变形体因人员难以企及、布点困难而无法获取监测数据的问题，可消除作业人员的安全隐患。
4）整体监测。监测数据的高密度面式采集、多视监测点云能确定出变形体完整的表面形态，建立的整体三维模型叠加分析位移趋势，可有效避免传统监测方法变形成果表达中的局部性与片面性缺陷。
1.2 应用现状
近年来，国内外的研究和生产人员应用三维激光扫描技术在变形监测中开展了大量科学研究及生产探索，涉及众多行业领域，如建筑物、地铁隧道、桥梁、矿山、崩滑地质灾害等。这些研究及应用主要集中在监测方法、数据处理、三维建模、成果提取及分析等方面，该技术的精度以及应用中所需要或达到的精度是实际工程需要面对的关键问题。
2.扫描监测相关问题
2.1 监测成果“精度”
维激光扫描的高精度，表面看正好符合监测高精度的特点，但要有一定的支撑条件为前提，正如三维激光扫描技术的特点和优势不在于单点评价，主要是针对监测对象表面模型整体化而言。因激光扫描采样点间距小而获取的点云密度大，连续接近真实表面，具有整体化概念，认为其精度高。相对于相邻点间距精度而言，即便有试验表明其整体精度可达到mm级，但在实际应用中因扫描仪本身精度及复杂环境局限性，制约着扫描监测成果的精度，如激光扫描仪的测距精度、测角精度、测距距离远近、目标表面粗糙度、激光信号反射率、反射强度、入射角度等不确定因素，导致其单点误差的累积达到cm级甚至更低，因而无法满足精密变形监测的要求。
监测工作较为广义，因监测对象或专业部门不同，其监测目的（监视性监测、应急性监测和专业级监测）不同，对其监测成果的精度认识和要求也不同。不论是出于哪种监测目的或是对高精度传统单点监测成果的综合分析补充，其精度能满足工程监测需要最为关键。
在实际操作时，要尽可能地提高精度问题，采取适当的方式给予补偿，以满足工程监测要求。本文认为应采取如下措施：
（1）优选合适的扫描仪。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据监测对象植被覆盖率、地表坡度、重要性与损失程度及稳定情况，确定监测精度，结合现场地形条件与监测测程选择性能指标优越的仪器，尽量采用短程测距，大范围区还应进行分区实施。
（2）每期监测的扫描仪及基准标靶布设方案执行一致，确保基准统一。扫描仪应固定架设在观测墩上，尽量使激光垂直入射目标对象，扫描重叠度、测程及采样点间距应保持一致。
（3）用监测目标对象自身的明显特征替代变形监测单点的区域进行精细化扫描，达到提高拟合精度的目的。
2.2 点云数据利用问题
三维激光扫描仪发射激光触碰到物体后反射获取大量离散点，形成了原始点云数据，包含一些不稳定点、噪音点等冗余信息，这些冗余信息对监测工作后续监测信息提供和数据分析无利用价值，需要进行合理的分类取舍。
监测不同于地形等其他测量，在点云数据利用中建议将数据进行分类，分为植被及异常点、目标体表面点和地物特征点等，植被及异常点这类对监测工作毫无意义，应予以剔除；目标体地表表面点、地表表面固定物（如建筑物）自身具有特征性能的点或对监测效能有用的点可用于点、线、面成果处理与信息提供，应予以保留。
2.3 技术标准缺失
三维激光扫描技术在监测领域已得到广泛应用，在一定程度上使得传统监测发生了结构性变化，尤其是在高陡、危险人员难以到达且极易发生崩滑的灾害区，定向监测点无法有效布控，或临界状态下的应急作业无法实施，作业实施中急需统一技术指标、明确作业方法和精度要求等质量可控的规范化体系。新技术随着应用深入而突显出诸多新问题，需尽快建立适应新技术的监测规程或规范性技术标准体系，确保技术实施管之有度、控之有方，实现该技术监测有规可循、经济合理，保证在工程建设和运营维护方面发挥至关重要的作用。
3.三维激光扫描仪应用发展趋势
三维激光扫描技术是目前地变形化监测中应用的典型代表，而且相应的单点就显得并不是非常重要，虽然传统的单点测量也能很好的反映地形变化的各项信息，但对于单点的变形信息则难以准确给出，主要原因是传统单点测量很难在前后两期测量点云数据之间找到我们平时所说的同名点。所以，通过应用三维激光的扫描点的基准点，插值就可以获得很多同名点，这样就可以比较我们感兴趣的任何一点，这样，我们就解决了点云上任何一点的变形值。
使用最小二乘方法拟合、三次样条差值拟合等数学方法对曲线进行拟合。我们在拟合的曲线 y=f（x），x 每间隔 1cm取一个变形点，这样就可以得到线上每一个点的变形，达到我们线变形的研究目的。
现场踏勘及方案的制定、控制测量、野外数据的采集、内业数据处理（点云数据拼接、去噪、平滑、精简、建模）。
三维激光扫描仪在我国的应用时间已经超过了 10年，经过大量的试验和研究，各项技术愈发先进，再加上各种新技术和计算机软件技术快速发展，三维激光扫描仪已经被广泛应用在各大领域。测量的精度也在不断提升，通过给各项新技术的应用，各项数据后期处理的越来越简单，逐步实现了智能化、自动化、准确化。但三维激光扫描仪在应用时，需要基于激光技术的传播和人力来搭架，才能获得相应点云数据。由于三维激光扫描系统由硬件和配套软件组成，软件方面的不足也在很大程度上影响了三维激光扫描仪的精度。而多数情况下，三维激光扫描仪在地变形化监测过程具有很多优势，再加上各种信息的不断完善，三维激光扫描仪技术会在未来的地变形化监测中得到更加广泛的应用。
4.结束语
针对地面三维激光扫描仪应用于变形监测工作，比较和分析了该技术作业特点、应用优势和局限性，指出实际应用过程中不同专业部门对监测点云精度的预期认识、监测特点下的点云数据有效利用及技术指标依据的缺失给该技术带来的制约，并对该技术现阶段应用限制给出措施和建议。
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论文作者:张斌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/14
标签：激光论文; 扫描仪论文; 精度论文; 单点论文; 技术论文; 数据论文; 作业论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;