硕士学位论文—基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究 - 图文(3)

第一章 绪论

序列分析法、灰色系统分析法、Kalman滤波分析法、人工神经网络分析法以及频谱分析法等，这些方法及理论研究都已达到比较深入的程度,并形成了相应的技术及理论体系。地面三维激光扫描系统作为一种全新的测绘技术,具有许多新的特性及功能，它以独特的免棱镜方式测量目标点，具有高精度、高密度、高速度、高时间分辨率以及高空间分辨率等优越特点，使得三维激光扫描在变形监测领域得到了关注和重视。目前，地面三维激光扫描技术在桥梁变形监测、大坝变形等精度要求高的领域研究还较少，而在矿区沉降、边坡监测等方面已有广泛的研究和应用，国内外学者对三维激光扫描数据处理以及在变形监测方面的应用方面也进行了较多的研究和试验。

1.2.1 国外研究现状

(1) 三维激光扫描误差分析与数据处理方面

三维激光扫描误差分析方面，1999年Yang Yaoquan[2]等人在介绍了三角法激光扫描大型曲面的测量原理基础上，详细分析了影响其测量精度的几个主要因素，包括：被测物体表面的光学性能、物体表面倾斜、光学系统畸变及散斑等方面，针对大范围测量时光斑图像占用多个像素及诸多因素造成的光斑图像强度分布不均以致于很难读取真正光斑几何中心的问题，提出了一种基于Hough变换的光斑中心提取方法，实验表明该方法可以提高大型曲面测量的精度；2003年Wu Jianfeng[3]等人通过研究认为激光三角法测量是三维曲面非接触测量的主要方法，其测量精度受到本身结构和被测物体特性及环境因素等多方面的影响，通过试验对影响激光三角法测距精度的各种原因进行详细分析，并针对不同影响因素给出了消除或降低误差的方法；2006年Yuriy Reshetyuk[4]详细研究了脉冲式地面激光扫描仪的误差来源，他将误差来源分为：仪器误差、与目标有关的误差、环境误差以及算法误差四种，通过实验详细分析了各类误差的影响程度，并给出了误差模型。

三维激光扫描数据处理方面，1992年Besl和Mckay[5]首次提出了著名的ICP(Iterative Closest Point)配准算法，该算法以四元数为基础实现了点集到点集的配准,它不仅适用于点集与点集之间的配准，也适用于其他几何对象的配准，应用范围较大；2002年H-C Kim[6]等人研究了不规则点云的数据分割算法，并比

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较无噪声点云数据的分割和有噪声点云数据的分割方法,进一步将数据分割分为平面分割、光滑表面分割和粗糙表面分割三种类型；2002年S-M Hur[7]等人提出了在点云数据狄罗里三角化的过程中实现数据缩减的方法，从而使得生成STL文件的大小得到了有效的减小，该方法可以降低模型误差、减少计算机运行时间，同时也可保证RP模型的精度；2003年Wolfgang Boehier[8]等人使用多种不同厂家生产的三维激光扫描仪，针对测量角度、测距精度、边缘影响、分辨率以及外界环境光线等方面影响进行理论分析，并做出了实验验证，通过对比分析对点云质量进行了调查；J. Clark[9]等使用Leica HDS2500三维激光扫描仪对不同颜色的物体进行扫描并分析研究，为提高数据获取质量做出评价；2004年Natasha[10]等人针对ICP算法中的点云数据配准质量问题，即在无特征区域选择太多的扫描点云数据时，尤其是扫描数据中存在较大测量噪声或数据没有校正时，将导致收敛速度减慢或配准不正确，甚至出现配准不收敛现象，为了提高ICP算法的稳定性，以配准处理的不确定性最小化为目标，提出了考虑转换约束情况进行采样点选择的方法；2007年Sophie Voisin[11]详细研究了环境光线对三维激光扫描的影响。

(2) 变形监测应用方面

在国外，三维激光扫描技术在变形监测方面应用有了较多研究，2001年Stuart Gordon[12]等人在分析了三维激光扫描在变形监测方面的可行性后，通过实验校准了Cyrax 2400仪器，对建筑物混凝土结构以及木质材料的桥梁进行了变形监测实验并取得一定成果；2004年Thomas Schafer[13]等技术人员应用徕卡公司的HDS2500中程地面三维激光扫描仪对多瑙河上的Gabcikovo水电站船闸进行蓄水前后的变形进行了监测，取得了理想的精度结果和良好的经济效益；2005年Roderik Lindenbergh[14]等人通过对HDS3000三维激光扫描仪获取数据质量分析后，将其应用在施工隧道的变形监测中，重点研究了点云密度对变形监测的影响；2006年Frank Lemy[15]等人针对施工开挖的隧道进行了变形分析，采用三维激光扫描技术制定了测量方案，在隧道多个位置设定球形标靶进行扫描建立隧道模型，将隧道不同侧面的表面做了详细分析；2007年Roberts Gethin[16]等人使用徕卡HDS3000三维激光扫描仪对建筑物进行变形监测实验，分析了仪器测量精度以及稳定性，实验结果表明，在3-53m的距离范围内，三维激光扫描仪和全

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第一章 绪论

站仪对混凝土测量的精度一致；同年Andrew Wong[17]等人使用三维激光扫描成功地记录了边坡表面运动和裂缝变化情况，实验表明，三维激光扫描仪获取的表面运动数据和布设在表面的倾角传感器获得数据能很好的吻合，通过重叠在不同时段获取的点云数据，将边坡表面运动可以精确记录下来，取得良好的效果；2008年O. Monserrat[18]等人在总结众多学者研究的基础上，采用了基于最小二乘的局部曲面拟合方法进行变形研究，实验采用十种不同形状、不同材质的变形标靶分析了变形分析精度在1cm以内，最后对滑坡变形进行了实验并做出分析；2008年Diego Gonzalez-Aguilera[19]等人通过对三维激光扫描技术研究，利用Trimble GX200三维激光扫描仪结合Leica TCA2003全站仪对大坝进了周期变形监测，通过建立监测点获取大坝周期数据，建立模型利用径向基函数(Radial Basis Function)模型进行分析变形，并进行变形预测，取得一定成果。

另外，2003年奥地利应用RIGEL公司的LMS-Z420远程地面三维激光扫描仪对1000m以外的阿尔卑斯山雪层、冰川变化进行了监测；2003年7月到2004年9月Optech公司利用其ILRIS-3D激光扫描系统结合GPS对Miage湖边缘冰山北部周围近地面冰崖的移动进行了监测，经过几次重复监测的比较，实验结果明冰崖发生了移动，在一年多的时间内后退了几十米；美国科罗拉多州的矿业学院，正在研究开发一种运用激光探测与测距的激光扫描技术的边坡稳定性控制系统，美国的Kennecott能源公司和3D-P公司，也为这项研究的开发计划提供研究开发资金，它们要研究确定便宜的三维激光雷达扫描仪在监控露天煤矿的高矿壁边坡的实用性和潜力；2006年Pagounis Vassilios[20]等人使用徕卡HDS2500激光扫描仪应用在道路安全分析和交通事故模拟中；2008年Nabbout Khaled[21]等人将三维激光扫描系统应用于城镇规划中，包括道路、铁路和隧道等测量。

1.2.2 国内研究现状

国内学者也对三维激光扫描数据处理以及在变形监测方面应用进行了研究。数据处理方面，马立广[22]系统地对地面三维激光进行了分类，研究了三维激光扫描的误差原理，对点云在边缘信息提取、点云匹配以及点云建模对数据的存储和检索做了详细介绍；朱凌[23]等人分析了点云分辨率，主要研究了在点云分辨率中起主导作用的平面分辨率，得出了计算平面分辨率的理论公式，并通过实验验证

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了其正确性；郑德华[24]-[26]对三维激光扫描的数据处理进行了系统的研究，针对三维激光扫描误差分析、数据获取、数据配准、数据缩减、数据分割、特征提取以及建模等方面分别进行了详细的分析和研究；石银涛、程效军[27]等人阐述了全站仪CAD建模 …… 此处隐藏：3600字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……