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(9)

第三章 桥梁监测方案设计与数据预处理研究

第三章 桥梁监测方案设计与数据预处理研究

Trimble GXTM三维激光扫描仪具有对中、定向功能，这就表明在实际测量过程中可以布设控制网，以控制点作为三维激光扫描的基准点或者作为标靶的标志点。本文针对桥梁监测精度要求高的特点，提出并设计了桥梁变形监测方案，采用建立精密控制网作为三维激光扫描的基准，辅助三维激光扫描提高测量精度，为多期观测打下基础。三维激光扫描数据处理一直是国内外学者重点研究对象，不论是三维建模还是逆向工程应用，三维激光扫描数据处理尤为重要，本章依据桥梁监测需求以及天宝三维激光扫描仪功能，通过实验研究分析了基于桥梁监测的点云数据获取以及数据预处理方法。

3.1 桥梁变形监测方案设计

桥梁构筑物的稳定是保证安全交通的保障，然而由于常年运营以及老化容易导致桥梁体的下沉、表面的破损等变形，这对道路交通和人员安全产生巨大隐患，桥梁监测是必要的。三维激光扫描技术凭借其独特的数据获取方式，方便、快速、全面的获取构筑物表面的三维数据在桥梁变形监测方面应用前景广阔，三维激光扫描精度均匀、密度高，可以很明显的反映出物体表面的细节变化，便于整体从形态上分析和评价变形。传统的全站仪和GPS在单点测量精度很高，但是点位受限制较大，而且桥梁结构复杂，在某些重要部位难以架设仪器观测。桥梁结构复杂，尤其是特大型桥梁跨度很大，而在变形监测桥梁时的精度要求很高，为了提高观测精度，本文依据天宝三维激光扫描仪的特点以及实验场地状况，将扫描仪扫描测程限制在100m以内，并采取多站扫描，主要测量方案设计如下：

3.1.1 变形监测方案流程

本文根据Trimble GXTM三维激光扫描仪的特点以及外业数据获取软件Point Scape和内业数据处理软件RealWorks Survey的功能，设计了变形监测方案。包括外业数据采集和内业数据处理两大部分。

第一期桥梁变形监测方案工作流程如图3.1所示。

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桥梁现场踏勘 桥梁控制网布设 实验仪器准备 GPS测量 控制网测量 全站仪测量 基准点坐标 控制点坐标 标靶中心大地坐标 标靶中心站心坐标 三维激光扫描桥梁 桥梁体表面点云 点云数据预处理 桥梁点云配准后 变形分析和提取 图3.1 桥梁变形监测方案流程图

(1) 控制网布设

从第二章分析中可以知道，获取高质量点云数据要从距离、角度等方面入手。控制网布设过程中，第一，控制点之间的间距控制在100m以内且通视良好；第二，控制点到扫描目标距离控制在50m以内；第三，网形布设要符合常规布设要求，形成大地四边形，增加多余观测，提高控制网解算精度。

使用GPS和全站仪进行控制网测量，利用GPS获取基准点的空间大地坐标，利用全站仪获取均匀分布在桥梁周围的控制点坐标。控制网的作用是：第一，可以将桥梁点云数据由自由坐标系转换到空间大地坐标系中；第二，在三维激光扫描过程中将控制点作为标志点架设标靶或三维激光扫描仪。 (2) 桥梁点云扫描

采用Trimble GXTM三维激光扫描仪获取桥梁实体的三维坐标，扫描过程中依据其配套软件Point Scape的功能，可以采取两种扫描方法：第一种方法是将仪器架设在控制点上对中整平后输入控制点坐标，将标靶架设在后视控制点上进行定向，然后扫描，多站测量也是如此，这样扫描的多站点云数据不需要配准，

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第三章 桥梁监测方案设计与数据预处理研究

均在控制网标准下的大地坐标系统内，扫描精度取决于控制网精度以及扫描时的误差影响。这种方法优点是无需后续配准，缺点是每站测量要输入控制点坐标，操作繁琐耗时较长。第二种方法是将标靶架设在控制点上，扫描仪任意架站，每连续不同两站有相同的标靶作为同名点，扫描结束后可以依据RealWorks Survey数据处理软件将控制点坐标加入到标靶拟合中心点上，采用后方交会将测站点计算并转入大地坐标系中。这种方法优点是方便快捷，缺点是后续数据处理需要配准这项工作。

内业数据处理包括点云数据预处理和变形分析两步，在下文中将有详细分析研究。

(3) 监测周期确定

变形监测的周期根据桥梁运营时间来确定，一般是一年一次。

3.1.2 点云数据获取步骤

Trimble GXTM三维激光扫描仪获取数据流程可分为以下几个步骤： (1) 在已知标志点上或者任意位置架设好三角架使其基本水平，在三角架上安置一个基座，在标志点上架设好标靶。

(2) 如果架设在标志点上则需要对中、整平；如果是任意架站则只需整平即可。

(3) 把Trimble GXTM三维激光扫描仪放置到基座上，并将其锁好。 (4) 连接扫描仪电源线、网线，设置外接电脑的IP为192.0.4.XX，XX为0、10、250以外的其它数字，关闭电脑防火墙。

(5) 扫描仪开机，在电脑中打开“Point Scape”软件，扫描仪开始自检，在出现的画面中点击“Setup”，然后点击“Electronic Level”查看电子气泡并精确置平，然后输入气压值，点击“ok”。

(6) 开始建站，在“Point Scape-[3D View]”界面中右击“WorkSpace-0 Project”选项，在显示菜单中“Add a Station”单击“Station”，此后“WorkSpace-0 Project”变成“WorkSpace-1 Project”。如果仪器和标靶均架设控制点上，且控制点已知，可以在其目录下的“New Project”中右击“Station 1”选择“Station Setup”，输入测站点以及标靶坐标和仪器高，建站结束。

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(7) 测量从Trimble GXTM扫描仪的机身上的标点到已知点的距离，并选择扫描模式。

(8) 添加目标物，点击“Add New Target”，选定标靶，输入已知点名和站标高。

(9) 点击“OK”，框选标靶开始扫描。拟合得到标靶中心后对比误差，误差在允许范围后，进行下一步采集数据。

(10) 点击相机图标，开始选择扫描目标，在相机图标旁边的选择框中，选择“Polygonal Farming Tool”即“多边形选择框”。

(11) 选择固定焦距、扫描距离以及扫描分辨率。

(12) 开始扫描，此时屏幕上显示扫描速度、剩余时间等信息，新获取的点为红色。

(13) 扫描结束，保存数据并关机，注意先关闭软件然后关闭扫描仪电源。

3.2 桥梁变形监测数据预处理

利用三维激光扫描仪获取桥梁体点云数据后，必须要进行数据处理，为后续的变形分析与提取做好必要准备。首先，桥梁是大型复杂结构，扫描时必须要多站扫描，点云数据配准也必须进行；其次，在扫描过程中难免会有冗余数据、噪声等非兴趣点，点云数据去噪、缩减也是数据处理的重要步骤。下面主要从点云去噪、特征点坐标转换和点云配准三方面进行研究。

3.2.1 点云数据去噪

点云数据去噪最直接简单的方法就是人机交互法，使用三维激光扫描配套软件显示扫描区域，通过图形显示，去除非兴趣区域和明显错点，但是这样人工判别不利于自动化发展，而且面对海量数据，难以彻底去除噪声，影响点云精度。

目前国内外学者对点云数据去噪算法的研究主要是依据点云的排列形式进行的，点云的排列形式可以分为：扫描线式点云、阵列式点云、三角格网式点云和散乱式点云四种。前三种是属于有序排列数据，散乱式点云属于无序排列数据。

针对有序排列的点云数据，其去噪主要是采用平滑滤波的方法进行处理，其算法也较多，如卡尔曼滤波、最小二乘滤波和维纳滤波等，目前 …… 此处隐藏：2720字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……