三维激光扫描测量技术及在古桥监测保护中的应用

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1、2009年中国古桥学术研讨会论文集2009年11月福州三维激光扫描测量技术及在古桥监测保护中的应用11，2项贻强、罗晓峰（1浙江大学中国古桥研究中心，浙江大学土木工程系杭州3100582浙江工业职业技术学院浙江绍兴）摘要：本文从三维激光扫描的基本原理和关键技术入手，探讨了运用三维激光扫描技术获取古桥桥体监测数据，采用深度图像分割、点云数据匹配、点云过滤等技术手段，获取古桥桥体的DEM模型，从而实现对古桥变形进行监测和保护。分析指出了三维激光扫描技术在古桥监测保护中具有快速、精确、方便及三维实景的特点，应用前景广阔，是一种值得推

2、广采用的监测方法。关键词：三维激光扫描技术古桥监测1.引言在中国古代建筑中，桥梁是一个重要的组成部分。几千年来，勤劳智慧的中国人修建了数以万计奇巧壮丽的桥梁，这些桥梁横跨在山水之间，便利了交通，装点了河山，成为中国古代文明的标志之一。西安灞桥、河北赵州桥、北京卢沟桥、杭州拱宸桥、苏州宝带桥及北京颐和园的玉带桥等都是古代著名的桥梁。这些古桥作为特殊的文化信息载体，延续了历史文脉，是人类文明的重要标志，对它们的继承和保护是当代义不容辞的责任。然而由于当前经济快速发展以及城市现代化建设的加速，使得许多古桥受到了不同程度的变形和破坏，

3、历史文化遗产保护面临着严峻的形势。要长期有效地保护这些古桥，必须对其进行精确的测绘和监测，以获取较完整的数据，为古桥的保护和修复、评估提供基础数据。传统的测绘方法以采集离散点为主，适用于结构简单的古桥。该方法仪器设备投人少，方法直观，是大量古桥测绘的首选。对于结构复杂的古桥，仅以少量的特征点难以表现其复杂的内部特征。随着计算机的应用，测绘技术也进入了数字化时代，目前人们已研制出一种基于激光的三维激光扫描测量技术，它具有数据采集真实、快速、精确、仿真度高等优点，可测绘某些无法架设测点的物体或结构。本文探讨三维激光扫描技术及在古桥

4、测绘中的应用。2.三维激光扫描系统2.1系统简介三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，它冲击着传统的测绘和数据采集手段，可以为众多领域的研究和设计提供精确的数据依据，三维激光扫描仪集光、机、电为一体，能在较短的时间内，高速、精确地记录建筑物(或景象)的三维空间位置。三维激光扫描仪利用激光测距的原理，结合对横向和纵向转角的精确记录，计算出被测点与扫描仪相对位置。扫描仪或其内置部件在横纵两个方向上悬转，与此同时，激光发射器以高频率不断发光，完成对实物的扫描工作，扫描数据通过电缆传人电脑并记录在硬盘上。高密95

5、2009年中国古桥学术研讨会论文集2009年11月福州度的扫描数据点有序地排列于三维的虚拟空间中，成为带有坐标的影像图，称之为“点云”。三维激光扫描系统分为地面激光扫描系统和空中激光扫描系统，国外在核电站、文物考古、建筑业、航天航空、船舶制造、军工、军事、石化、医学、水利、能源、电力、交通、机械、影视、汽车、公安等领域均有所应用，国内在文物考古测量等方面也有所应用。2.2基本框架2.2.1基本原理目前有关激光扫描技术的研究大多是针对独立物体的三维建模、独立物体的体积测量等，而测量工作的一项主要工作内容是采集物体的空间位置信息。

6、三维激光扫描测量技术可以快速获得物体表面每个采样点的空间立体坐标。它是一种先进的主动传感系统，它以一定的规律发出受控制的激光照射物体，然后再通过接收由物体表面反射回来的激光获得物体表面的三维信息。2.2.2工作流程三维激光扫描系统的工作流程为：首先用激光源对被测物体表面进行扫描，再用CCD摄像机对被扫描的物体进行摄像，得到成像点的二维坐标。再经过数据的处理，得到被测物体的三维坐标。本系统选择由2个CCD摄像机和1个线激光器组成的测量传感器代替接触式测量探头，与扫描机构、图像采集卡等硬件部分及进行图像采集、处理的应用软件部分组成

7、三维激光扫描测量系统。系统的测量精确度与硬件的关系很大，例如，相机的摆放位置、角度及焦距等都对结果产生很大的影响。因此，第一步就是标定，标定的目的就是确定常数值。当标定完成以后，整个设备就必须固定，不能改动。系统标定之后，便可以进行三维数据的采集。用线式激光器扫描被测物体的轮廓表面，由CCD摄像机摄取光条成像。要准确有效的完成测量，必须研究计算模型、误差模型，即确定从传感器获得的原始数据到最终结果的映像关系，以及引起误差的原因、误差的传递、对结果的影响、误差的矫正和消除，再确定有关的计算公式及相应的算法。如此复杂的测量系统会引

8、起较大的测量误差，影响到三维重建的质量。因此研究提高数据采集性能的方法，对三维测量工作有十分重大的意义。由于测量中不可避免的会引入噪声，所以还要对测量数据进行适当的校正。获得物点的三维坐标后，还要进行三维重建，实现测量数据的可视化，通过相应的计算机软件来完成实体建模。3.三维