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(8)

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(1) 点云厚度实验

通过对红、橙、黄、绿、蓝、紫、白、黑八种颜色纸片的扫描，同一种粗糙程度的不同颜色纸片点云厚度和相同颜色不同的粗糙程度纸片的点云厚度均有所不同(如图2.14、2.15)。表2-3为在扫描距离40米处各种纸片的点云厚度与其平面拟合残差结果。

实验结果表明点云平均厚度与平面拟合残差呈线性关系(如图2.13)，拟合直线方程为：y?0.6344x?0.0114，相关系数R?0.9999。因此根据点云厚度可以判断某一平面数据获取质量的好坏。

表2-3 点云厚度与平面拟合残差结果

材料 红色粗糙 红色中等 红色光滑 橙色粗糙 橙色中等 橙色光滑 黄色粗糙 黄色中等 黄色光滑 绿色粗糙 绿色中等 绿色光滑 蓝色粗糙 蓝色中等 蓝色光滑 紫色粗糙 紫色中等 紫色光滑 白色粗糙 白色中等 白色光滑 黑色粗糙 黑色中等 黑色光滑 点数 5871 5357 5126 6091 6308 6389 6429 6242 6357 6781 6654 6800 6343 6997 6507 6332 7023 6806 4469 4446 4632 3582 4374 4039 点云厚度（mm） 最大 20.98 17.81 32.21 15.36 8.12 11.61 5.83 6.70 5.69 5.12 5.35 6.10 6.27 6.54 7.11 16.33 12.41 18.69 5.36 4.90 5.40 20.40 18.61 26.65 最小 -16.56 -15.87 -24.86 -13.45 -8.43 -8.56 -6.11 -7.05 -5.72 -6.12 -7.54 -5.61 -7.26 -6.74 -6.33 -16.28 -12.22 -21.21 -5.27 -5.13 -6.60 -18.09 -14.64 -23.41 平均 6.63 6.36 12.13 5.44 3.38 3.37 2.43 2.57 2.43 2.37 2.47 2.59 2.93 2.67 2.78 5.45 4.91 6.78 2.18 2.19 2.28 7.98 8.24 12.64 拟合残差（mm） 4.24 4.03 7.71 3.42 2.13 2.12 1.53 1.63 1.52 1.50 1.56 1.62 1.84 1.67 1.75 3.44 3.09 4.32 1.38 1.39 1.45 5.06 5.15 8.00 28

第二章 三维激光扫描系统及影响点云精度因素分析

9拟拟7合合残6残差5差 4m(mm) 38图2.14 点云厚度与不同颜色纸片的关系 图2.15 点云厚度与不同粗糙程度纸片的关系

(2) 点云回波亮度实验

Trimble GXTM三维激光扫描仪扫描时同时可以获取物体的亮度信息，对于不同的反射体采集的点云数据其亮度信息是不同的，从图2.14可以直接看出不同颜色纸片反射的亮度信息是不同的，表2-4为不同颜色、不同粗糙程度纸片平均亮度与拟合残差结果。

实验表明回波激光亮度与测距误差具有乘幂函数关系，拟合曲线方程为：

y?285.72x?2.5731，相关系数R?0.9949。激光回波亮度越低，误差越大，其关系如图2.16。在点云数据处理中，可以通过筛选点云亮度对点云精化，提高点云精度，亮度值选择在60-80最佳。

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(m点云平均厚度211234567891011121314点云平均厚度(mm)) 图2.13 点云厚度与平面拟合残差的关系

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表2-4 各种纸片亮度均值与拟合残差结果

扫描材料 红色粗糙 红色中等 红色光滑 橙色粗糙 橙色中等 橙色光滑 黄色粗糙 黄色中等 黄色光滑 绿色粗糙 绿色中等 绿色光滑 蓝色粗糙 蓝色中等 蓝色光滑 紫色粗糙 紫色中等 紫色光滑 白色粗糙 白色中等 白色光滑 黑色粗糙 黑色中等 黑色光滑 180160140120灰100度80均值60402001234拟合残差(mm)567点个数 4239 4432 4102 4597 4659 5169 5537 5249 5832 5319 5549 5881 5792 5702 5873 5451 6145 4236 3463 4056 4202 3510 3598 2976 亮度均值 11.19 13.15 3.36 17.68 51.75 50.21 121.61 105.76 126.51 129.38 116.45 105.26 78.72 95.40 88.72 17.87 22.73 11.56 158.75 149.50 142.41 7.52 7.10 3.25 拟合残差(mm) 3.47 3.15 5.92 2.79 1.87 1.90 1.40 1.52 1.41 1.40 1.43 1.50 1.62 1.54 1.57 2.76 2.51 3.46 1.30 1.32 1.33 4.26 4.17 6.06 灰度中误差曲线 图2.16 点云亮度与平面拟合残差的关系 (3) 距离和角度实验

通过实验在不同距离、不同角度上对大理石和混凝土进行扫描，实验结果如

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第二章 三维激光扫描系统及影响点云精度因素分析

表2-5，从实验结果分析可以看出：物体表面扫描的拟合精度随着距离增大呈降低趋势(如图2.17)；在扫描角度上，45°扫描时精度比正面扫描的精度高。

扫描过程中，在扫描距离上，适当缩短扫描距离可以提高测量精度；在扫描角度上，使扫描仪与目标成一个角度来提高测量精度，角度范围一般为40°-50°最佳。

表2-5 不同距离和角度扫描拟合参残差结果 扫描距离(m) 5 10 20 30 40 50 60 68 3.53.0拟拟合合2.5残残差差 2.0m(mm) 扫描角度(°) 0 45 0 45 0 45 0 45 0 45 0 45 0 45 0 45 大理石 扫描点数 9591 28196 9768 7180 3671 5143 4498 2661 4066 3316 6922 5119 5326 5024 4072 3702 拟合残差(mm) 1.92 1.46 2.08 1.69 2.37 1.94 2.45 1.96 2.88 2.40 2.79 2.32 3.18 2.73 3.36 3.03 混凝土 扫描点数 17013 43651 19658 14267 17097 6748 6214 4541 6025 5653 18169 11439 11772 8288 5116 5179 拟合残差(mm) 1.28 0.93 1.54 1.15 1.54 1.39 1.69 1.38 1.67 1.59 1.75 1.30 2.01 1.80 1.93 1.77 (4) 物体粗糙程度实验

从表2-5中可以得出，不论是正面扫描还是45°扫描，混凝土扫描结果比大

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()m1.51.0010203040506070扫描距离(m)正面扫描45°扫描 图2.17 大理石正面与45°扫描结果

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理石扫描结果精度高(如图2.18)，而大理石表面比混凝土表面光滑，说明三维激光扫描对漫反射理想物体扫描效果较好，而桥梁表面一般为混凝土表面，这也有益于获取较好桥梁表面数据。

3.5拟3.0拟合合残2.5差残差 2.0m(mm) m1.5()大理石混凝土1.0010203040506070扫描距离(m) 图2.18 正面扫描时大理石与混凝土拟合残差曲线

2.6 本章小结

本章介绍了三维激光扫描系统指标、分类以及性能指标，为了进一步提高测量精度研究分析了影响点云的主要因素，总结如下：

(1) 详细介绍了三维激光扫描系统分类以及扫描原理，列出了5个厂家生产的22种典型的三维激光扫描仪的性能指标以供查阅。

(2) 依据地面三维激光扫描的不同测距方法，详细介绍了脉冲式、三角测量式、相位式三种不同类型的地面三维激光扫描仪的工作原理。

(3) 以Trimble GXTM三维激光扫描仪为研究对象，详细介绍了仪器指标、性能参数、配套软件功能以及软件支持的数据格式，为工程应用提供参考。

(4) 从误差分析的角度上详细分析了影响点云精度的因素，从距离、角度、激光光束、目标反射体以及外界环境影响等方面分析了其对获取点云精度的影响。通过大量实验采用回归分析等方法进一步分析了各种因素的影响结果，并给提出了改善数据质量方法。

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