三維激光掃描收斂變形分析

1、七、三維激光掃描收斂變形分析7.1三維激光掃描技術(shù)地面三維激光影像掃描儀是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測繪儀器，采用 非接觸式高速激光測量方式，為高精度自然表面的快速生成提供了新的高自動化 的方法，具有非接觸，快速獲取3D點云數(shù)據(jù)等優(yōu)點。通過濾波與內(nèi)插技術(shù)可以 以點云形式獲取地形及復雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。它是繼GPS 空間定位技術(shù)后的又一項測繪技術(shù)革新。三維激光掃描儀的工作原理為：利用被測物體對激光的發(fā)射，測出掃描儀到 被測點的距離；利用儀器內(nèi)部的轉(zhuǎn)角機構(gòu)，測出被測點的相對水平角和垂直角； 從而獲得被測點相對于掃描儀坐標系統(tǒng)下的三維坐標。利用掃描儀內(nèi)置（或外接） 的數(shù)碼相機，獲得

2、被測物體的影像，供后期建模處理時渲染貼圖使用。三維激光 掃描儀可以在一秒鐘內(nèi)快速采集幾千個甚至幾萬個、幾十萬個點的三維坐標，如 此海量的點稱為“點云”，可以高精度地真實描述被測物體的三維空間實際形狀， 達到快速建立物體三維模型的目的。鹽水溝隧道全長2km，從隧道入洞口到出洞口每50m安裝一個三維激光掃 描所用的球形靶標，自由設(shè)站間距為100m。每個斷面布設(shè)3個靶標（拱頂、兩側(cè)拱腰）。三維激光掃描監(jiān)測周期為半年。圖7-1三維激光掃描的原理7.2三維掃描數(shù)據(jù)獲取7.2.1儀器設(shè)備采用儀器設(shè)備：徠卡Geosystems ScanStaion C10及配套3英寸標靶。相關(guān)參 數(shù)見表2-1：表7-1設(shè)備

3、參數(shù)技術(shù)參數(shù)ScanStation C10儀器精度點位6mm距離4mm角度12模型表面精度2mm標靶獲取精度2mm雙軸傾斜傳感器可開/關(guān);1分辨率；補償范圍5；精度1.5激光掃描系統(tǒng)類型脈沖式顏色及波長綠色/532nm激光類型3R掃描距離300 m/ 90%反射率;134 m 18%反射率掃描速率多達50000點/秒，最大即時掃描速率掃描視場角多達50000點/秒，最大即時掃描速率激光光斑大小水平方向最大360，垂直最大270最小掃描密度4.5mm/050m數(shù)據(jù)存儲容量80G通訊方式動態(tài)IP地址，以太網(wǎng)拍照及變焦視頻單張 17X 17照片 400 萬像素(1920 X1920)；全景(360X

4、 270)可拍攝230張照片，根據(jù)環(huán)境調(diào)節(jié)曝光機載界面顯示完全彩色觸摸屏圖形化顯示界面，QVGA (320 X 240像素)整平顯示外部圓氣泡，機載和Cyclone軟件顯示的電子氣泡7.2.2掃描方案該隧道屬于狹長直線型，中間鋪設(shè)直徑1m的隧道，使得空間狹窄，對掃描 測量更為不利，管道位于隧道中間略偏左側(cè)，因此右邊空間相對較大，左側(cè)較為 狹小，為了盡量滿足采集數(shù)據(jù)的完備性，我們采用左右交替設(shè)站掃描，管道底部 仍然為掃描盲區(qū)。根據(jù)激光掃描儀掃描精度與時間關(guān)系，同時結(jié)合隧道特點綜合考慮，我們采 用中等密度掃描方式進行掃描工作，相關(guān)參數(shù)(掃描時間7分鐘，密度100m點 密度為10cm，相鄰站3個拼接

5、標靶)。同時由于隧道沒有燈光，洞內(nèi)沒有掃描跟 蹤拍照。由于左側(cè)狹小，儀器設(shè)備離墻最近，角度較小不利于掃描且介于第一期掃描 中設(shè)置間距較小，數(shù)據(jù)量太大，不便于后期數(shù)據(jù)處理等經(jīng)驗，綜合第一期和第五 期的掃描過程，我們采取兩站間距為30m。7.3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理（一）激光掃描點云數(shù)據(jù)處理流程如下:內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件主要有Cyclone、三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件等。（三）激光點云數(shù)據(jù)拼接利用外業(yè)測量的控制點，在Cyclone軟件下第一期共用7天對近113站點云 數(shù)據(jù)進行了拼接，第四期用4天對近70站點云數(shù)據(jù)進行了拼接，拼接精度6mmo拼接后的點云如下圖所示圖7-2點云拼接精度（四）去除噪聲、點云分割及統(tǒng)一化去除

6、點云數(shù)據(jù)的中除隧道內(nèi)壁以外的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量的影響，需要對原始 數(shù)據(jù)進行分割并點云統(tǒng)一化。（五）設(shè)置坐標系在cyclone軟件中，對兩期三維掃描數(shù)據(jù)，選用DX1980，DX00300和DX900 三點建立相同的坐標系，使得兩期坐標數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（六）沿著隧道中線切割斷面在Cyclone軟件里面，把DX00300和DX1980連成一條直線，由于隧道呈 直線型，DX00300和DX1980的連線基本平行于隧道中線，為保持和全站儀的 斷面間距相同，沿著這條連線，設(shè)置斷面切割厚度為3mm進行切割，切割后的 斷面點云。如下圖所示：圖7-3生成的點云切片數(shù)據(jù)E-U噫 【O.O.O. LitLO.LO.TITI

7、HffiBtEfficrzE -0.-0.-0.-0.-0.TD D D 0 n 050505繭 H a.Q.a.TTrlo D D *|05防 r - -Q oIDIDLrLDD-D:辦05冷店O5Q5 跖尋-0-0.-0（七）兩期數(shù)據(jù)對比分析在cyclone里，對上述生成的兩期斷面點云數(shù)據(jù)以svy格式導出，導入交大 自主研發(fā)的三維掃描數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行對比分析，斷面進行對比分析。其中里程 1020米處斷面兩期對比結(jié)果如下：第一期第二期圖7-4 1020米處斷面對比結(jié)果（m）沿隧道左側(cè)的變形量:圖7-5隧道左側(cè)變形量沿隧道右側(cè)的變形量:圖7-6隧道右側(cè)變形量沿隧道頂部的變形量:圖7-7隧道頂部變形量（八）建模在3DMax軟件下，利用點云剖面線劃圖和隧道曲線，建立隧道的三維模型 見圖7-8、圖與圖。圖7-8隧道三維模型圖7-9隧道原始點云數(shù)據(jù)圖7-10鹽水溝隧道三維模型從上圖中兩期數(shù)據(jù)對比可以看出，變形點的最大處變形量左，右兩邊基本保 持在2cm以內(nèi)，頂部基本保持在1cm以內(nèi)。單個斷面兩期對比左側(cè)（0度）到 隧道右側(cè)（180度）每隔3度取點