三维扫描技术在大坝变形监测中的应用探究.pdf

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1、２０１６年第３期（总第１８０期）江西建材水利工程三维扫描技术在大坝变形监测中的应用探究■包利军■中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津３００２２２摘要：作为空间信息数据获取的新型手段，三维激光扫描技术可实现高精点云３三维激光扫描技术在大坝变形监测中的应用数据的快速、高效无接触采集，被广泛用于重点文物三维重建、船体建模现拟以某水利工程为例，探究三维扫描仪在大坝监测中的应用。分析等领域。本文从水利工程坝体易受建筑结构与不均匀外力影响的该段坝体长度为１７０米，高度为２５７米，拟采用Ｔｒｉｍｂｌｅ３ＤＬａｓｅｒ扫描实际情况出发，

2、引入三维点云扫描快速获取技术来采集坝体不同时刻的仪，分４站完成对大坝主体的总体扫描与点云建模。其具体监测流程外立面数据，并经数据配准与表面特征提取，最终求解水工坝体非线性如下：形变特征数据，为类似坝体监测项目提供相应的参考依据。（１）监测控制点设置。为满足周期性点云扫描和数据拼接的要关键词：坝体变形监测三维扫描数据配准求，从远离坝体变形区布设６个稳固的测量基准点，并保持基准点间的相互通视，利用ＴｏｐｃｏｎＭＳ０５Ａ高精度全站仪测定其监测控制网点位坐１引言标，维持统一的测绘基准。２０世纪９０年代后期，三维激光（３ＤＬａｓｅｒ

3、）逐步出现，加拿大（２）坝体点云数据扫描。在清除坝体表面杂物后，利用Ｔｒｉｍｂｌｅ三ＮＲＣ研究机构利用ＣＣＤ相机与Ｌａｓｅｒ扫描仪搭建起小型数据采集配准维激光扫描仪按照自由设站的方式，根据控制点坐标数据，按照空间交系统，完成了场景扫描建模；后期伴随现代光电测绘、传感器集成与数会原理求解扫描仪中心坐标，然后对坝体结构，进行三维激光点云扫据处理技术的发展，国内外均出现许多将三维激光扫描技术引入滑坡描，采样间隔５ｃｍＸ５ｃｍ，并对坝体所布设的标靶进行精扫（１ｍｍ精度），泥石流监测、塌方土体方量测绘与建筑物变形监测的实例。以提高后

4、期点云拼接处理的精度；每测站完成后实行换站扫描，并保持作为新兴测绘手段，激光点云数据处理与曲面建模技术的日益成相应重叠度。熟，使得大型、不规则实体范围快速建模成为可能。如ＴｒｉｍｂｌｅＧＸ脉（３）点云数据处理。根据监测系统控制点和标靶约束条件，将多站冲式３Ｄ激光扫描仪测程可达３５０ｍ，以５０００点每秒的速率高效获取监点云扫描数据自动拼接，并生成拼接残差数据，按照精度要求，手工剔除测对象表面高密度点云数据，后期经数据采集合成、后处理分析与智能杂物等噪声信息后，采用ＧａｕｓｓＦｉｌｔｅｒ线性平滑滤波器进行降噪处理。３Ｄ建模，表

5、面精度可达±２ｍｍ，提高了大坝与滑坡监测、现状扫描测绘（４）重采样建模与剖面数据分析。为降低数据量来提升建模效的精度与直观性。率，对Ｇａｕｓｓ处理后的坝体点云数据进行重采样建模，坝体变形监测数２三维激光扫描技术工作原理据分析时，可采集ＤＥＭ模型或特征剖面线数据，分析同一点位或剖面从仪器构成来分析，三维激光扫描设备由激光测距、动态扫描、线在不同扫描时刻所对应的坐标值，求解其形变信息。为对比三维激ＣＣＤ相机、控制终端与配准校正模块构成。其激光定位原理如图１所光扫描仪监测的精度，本工程选取其中３个标靶，以３ＤＬａｓｅｒ精测扫描示

6、：的数据与高精度全站仪测量值，进行坐标较差对比分析，扫描精度良３ＤＬａｓｅｒ测距主要基于３种模式：强窄好，完全满足形变监测的指标要求，其数据较差统计情况如表１：脉冲测距、相位测距与激光三角测距。当前表１标靶点位坐标较差统计表绝大多数采用脉冲式测距，其工作原理类似电子全站仪，由激光器发出高速激光信号，标靶点位坐标较差（ｍｍ）点号空气传播至待测目标表面，然后接受其沿原Ｘ方向Ｙ方向Ｚ方向路径的漫反射回光信号，利用发与回收的时ＪＨ１０７－０４０３间差，计算待测点Ｐ与扫描中心的间距Ｓ。ＪＨ２－１１－０６－０７动态快速扫描

7、技术，则是在设备控制编图１３ＤＬａｓｅｒ扫描定位码器的作用下，基于扫描中心Ｏ为原点的自原理示意图ＪＨ３－０５－０８－０５定义坐标系统，测定单脉冲激光的横向水平扫描角度α与纵向垂直角４结语度β，并结合激光测距Ｓ来求解待测目标点位置数据，其（ｘ，ｙ，ｚ）计算传统大坝变形监测中，多利用引张线法、小角法或高精度全站仪配ｘ＝Ｓｃｏｓβｃｏｓα合反射棱镜法，通过测定固定点方位偏差或坐标数据，仅反映坝体关键公式为：{ｙ＝Ｓｃｏｓβｃｏｓα点位的变化数据，难以建立大坝宏观结构的总体形变信息。本文将以ｚ＝Ｓｓｉｎβ激光测距原理为基础的

8、三维扫描技术，引入到大坝变形监测中，通过采待测目标对象的真彩色纹理信息，由ＣＣＤ相机采集后用于三维建集待测目标的海量密集点位三维数据，实现了待测目标三维模型快速模，以提高点云模型的真实性；控制终端与配准校正模块，则用于系统构建的现代测绘方法，以其快速、高效、动态、免接触等优点，为传统大协调作业与误差检查