三维激光扫描技术在变形监测中的应用.pdf

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1、７８·北京测绘·２０１４年第５期三维激光扫描技术在变形监测中的应用朱磊王健毕京学（山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛２６６５９０）［摘要］随着激光扫描硬件设备的升级优化，三维激光扫描仪与其他设备更加易于集成，数据采集简单迅速，可实时处理点云数据，快速构建三维模型。与传统变形监测方法相比，将三维模型用于变形监测更加全面，自动化、智能化强度高，实时性好，且精度高。本文简单介绍了三维激光扫描系统的国内外研究现状、工作原理和分类，与传统变形监测方法作了比较，详细分析了三维激光扫描系统在变形监测中的应用。［关键词］三维激光扫描技术变形监测三维模型［中

2、图分类号］Ｐ２５８［文献标识码］Ｂ［文章编号］１００７－３０００（２０１４）０５－６三维激光扫描技术是２０世纪９０年代中期兴其中地面三维激光扫描仪对物体采集到的起的一种高新测量技术，又被称为“实景复制技点云数据是以扫描坐标系为基准的，扫描坐标系术”，是继全球定位系统（ＧＰＳ）技术之后又一项定义为：激光束发射处为坐标原点，扫描仪的理测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的论竖直轴（水平时的天顶方向）为Ｚ轴，扫描仪水方法，大面积、高分辨率地快速获取研究目标表平转动轴的零方向为Ｘ轴，而Ｙ轴与Ｘ轴、Ｚ轴［３］面的三维坐标数据，可以快速地采集大量的空间构成

3、右手坐标系。其定位原理如图１所示：点位信息。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、对变形体变形性态进行分析和变形体变形的发展态势进［１］行预测等的各项工作。变形监测的任务就是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大［２］小、及位置变化的空间状态和时间特征。目前，如ＧＰＳ、全站仪之类的用于变形监测的常规手段一般都是采用单点式监测，即只对研图１三维激光扫描定位原理究物体上重要位置建立观测点来进行监测。这种方法往往会由于监测点较少，难以对研究对象其中Ｓ为原点到被测点的距离，α为扫描仪进行全面的变形监测研究，特别是无监测点的

4、区测得的水平角，θ为扫描仪测得的竖直角。那么域。而三维激光扫描技术则改变了传统的单点其单点在扫描坐标系中的坐标就可表示为：变形观测，是基于整体的变形监测新方法，因此烄ｘ＝Ｓｃｏｓθｃｏｓα将其运用到变形监测领域具有重要意义，具有很烅ｙ＝Ｓｃｏｓθｓｉｎα（１）强的可研究性。烆ｚ＝Ｓｓｉｎθ１．２分类１三维激光扫描系统的工作原理及分类目前已经得到广泛应用的三维激光扫描仪按照系统运行平台主要分以下四类：１．１工作原理（１）机载激光扫描系统三维激光扫描仪的工作原理类似于全站仪（测距测角原理），采用非接触式，通过发射高速机载型激光扫描系统的构成部分主要包

5、括激光获取到物体表面的距离、水平角、竖直角及激光扫描仪、动态差分ＧＰＳ系统、惯性导航系统、反射强度，自动计算并存储得到点云数据。相机、计算机及其软件。机载型激光扫描系统可［收稿日期］２０１４－０４－２３［作者简介］朱磊（１９９０—），男，汉族，江苏泰兴人，在读研究生，主要从事现代测量技术的数据处理及ＬｉＤＡＲ技术研究。２０１４年第５期·北京测绘·７９［１４］以在很短时间内采集大范围详细的三维点云数（４）黄晓阳、栾元重等使用ＴｒｉｍｂｌｅＧＸ据和影像信息。机载型三维激光扫描系统具有２００地面三维激光扫描仪对山东某矿井架进行了测量范围广、速度快的特点

6、，但由于其精度相对多次井架点云数据采集，通过平面拟合方程分析较差，造价昂贵，所以将它用于变形观测还有一了井架倾斜变形，为矿山井架安全量测提供一种［４，５］定的技术难题。高效、高精度应用方法。（２）车载激光扫描系统［１５］（５）ＣｈｅｎＢ，ＤｅｎｇＫ，ＦａｎＨ等人将Ｄ－车载激光扫描系统由三维激光扫描仪和相ＩｎＳＡＲ技术与三维激光扫描技术进行集成，应用机采集的数据作为三维建模的源数据，其主要用于大规模的矿区变形监测中，实现了三维激光扫于城市的建设和维护。和机载系统一样，由于其描技术在变形监测领域内的新突破。精度问题，车载系统在变形监测中的应用还有一（

7、６）ＺｈｏｕＤ，ＷｕＫ，ＣｈｅｎＲ［１６］等人将ＧＰＳ定难度，这也是测绘领域内现在的一个研究与三维激光扫描技术结合使用，应用于煤矿开采［６，７］热点。沉陷监测中，说明了三维激光扫描技术与传统变（３）地面激光扫描系统形监测方法结合的可行性。地面激光扫描系统是一种固定式扫描系统，当然，对于将三维激光扫描技术应用到变形类似于全站仪。经过研究人员大量的试验证明，监测中，还有很多其他案例。从目前的应用现状地面激光扫描系统的精度可以达到变形监测精来看，三维激光扫描技术在工程变形监测中的应度的要求，是可以应用到变形监测中的。目前，用已经是越来越广泛。对于远程地

8、面激光扫描地面激光扫描系统在变形监测中的应用已经越仪，可用于滑坡、岩崩、雪崩、矿山塌陷等危险或来越广泛，如矿区开采沉降变形监测、隧道变形