三維激光掃描測量技術在變形監測中的應用

王 凱

（北京京密鴻圖測繪有限公司，北京 101500）

在20世紀末，國外開始興起三維激光掃描技術，其又被稱為“實景復制技術”。具體來說，其指的是借助高速激光掃描測量的手段，以最快的速度去獲取目標的實際三維坐標數據，不受限于目標的大小和位置，得到的空間點位信息明確，達到的分辨率很高。而在國內很多項目中都需要用到變形監測，也就是借助一些特定的儀器以及手段來對可能發生變形的物體實施觀測，對于變形體的后續變形進度以及最終的變形結果做出預測，其最主要的目標就是要考慮外界多種因素的干擾，以最快的速度得到變形體的詳盡信息特征[1]。就目前而言，過往用于變形監測中的方式常見的就是GPS或者是全站儀，然而這些測量方式都只能實現單一的監測，需要提前找到目標物的核心觀測點，隨即展開監測，隨后由采集得到的區部信息來進行整個目標物的預測。而不同于這兩種方式，三維激光掃描技術不需要提前設置核心觀測點，而是直接將觀測點設置成整個目標物質，實現了數據的完整性。所以，將其用于國內變形監測項目中極具價值。

1 三維激光掃描測量技術的測量原理

想要讓三維激光掃描測量技術發揮出對應的價值及優勢，需要重點將其原理加以判斷，結合具體的運用方向進行分析，確保相應的技術展示出最大優勢。三維激光掃描測量技術主要囊括有下述幾個關鍵設備：首先就是三維激光掃描儀，其最大的作用就是可以對測量距離進行實時的把控，并根據實際需求一步步促使激光瞄準正確的方向并進行旋轉掃描，對于出現的方位偏差實時有效地調整。其次就是系統軟件，最后就是需要電源以及一些輔助的設備。具體來說，三維激光掃描測量技術借助水平方位偏轉控制器以及對應的高度角偏轉控制器科學控制反射棱鏡的實際轉動，使得由激光測距系統發射的激光能夠順著不同的坐標軸實施移動并慢慢掃描測量。隨后借助測得的三維掃描儀中心到目標點的斜距、激光束水平方向偏轉角和豎直方向偏轉角來校準并計算激光腳點的實際三維坐標。全部目標物信息數據收集完成后，還需要將這些數據按照文件夾上傳到所需點云，最后以這些點云來描述所需的目標采樣結果。目前，該項技術被廣泛地運用，在生產以及生活等多個領域均可看到其身影，結合系統平臺運行的實際情況，可以將其劃分出不同類型，包含車載激光掃描技術以及便攜式激光掃描技術等。為了達到更加理想的應用成效，需要對具體的技術原理詳細判斷，才能發揮出相關技術的最大利用價值。

2 三維激光掃描測量技術的測量誤差

作為一種新型技術，三維激光掃描測量技術備受關注，但是在其運用的過程中也易出現誤差問題，主要是多種因素的共同影響所致。需要正視相關誤差的存在，針對不同誤差展開分析，制定出科學的應對策略，讓三維激光掃描測量技術的優勢之處充分體現，保證達到最佳的使用效果[2]。

2.1 系統誤差

應該明確相關技術運用中極易出現的系統誤差，這是需要重點考慮的問題之一，可以通過適宜的手段規范誤差處理的方式，保證提升相關技術應用精準度。系統誤差，顧名思義，指的是由測量儀器內部結構老化或者是缺陷引起的，常見的誤差包括儀器內部一些零件發生脫落，不同部件之間錯位，計時器顯示偏差，測量頻率誤差以及激光束發射位移等。系統誤差一般很難消除，但是可以借助提前設定好的改正模型來進行誤差的降低和削弱。

2.2 測量誤差

測量誤差的引發因素有很多。最常見的就是下述四種。首先就是測距出現的位移偏差。現階段最常用到的激光測距手段主要為脈沖測距法以及相位測距法。使用前者進行測距時一定要注意儀器內部也就是石英鐘的計時誤差，由于激光往返速度很快，計時的頻率往往要求很高，為此，一定要嚴格控制計時的準確性。使用后者來進行測距時則應當關注調制激光束的電磁波頻率誤差。其次就是測角時出現的角度偏移誤差。測角囊括有豎直角以及水平方向的測量。而由于角度的不同，掃描鏡的位置旋轉難以固定，這就使得一些細微的角度無法被監測到，繼而出現非均勻轉動誤差。再者就是與目標物質自身特性相關聯的誤差。眾所周知，激光束指向目標表面之后，由于不同目標物質的大小和形狀差異，對于儀器回收的信息會產生嚴重的干擾，這就使得測距結果準確性無法保證。加上不同物體構成材料的差異性，目標物質實際的傾斜角度等，激光的強度以及實際方向時常變化，所以，在具體應用過程中，應重點關注二者形成的夾角大小，在符合要求的基準上慢慢降低夾角大小。最后就是由于測量環境不同所形成的誤差。使用這項掃描技術時，實時的溫度變化會使得儀器出現形狀的差異，壓力則會使得儀器精準度受到破壞，不論是何種變化，都應當在誤差的考慮范圍內，并在數值穩定時展開測量。

2.3 坐標配準誤差

坐標配準誤差，其一般出現在數據處理環節中。在進行不同點位掃描時，由于一些點位之間存在折疊，這就使得點位的坐標存在重復。而坐標配準則可以很好地解決這個問題，其可以將一些重復的數據進行系統錄入，也就是將這些信息進行標記，在后續處理時進行數據的剔除。使用不同的配準方法能夠直接影響到結果的準確度[3]。考察到點云的數量很多，即便是一些點位的名字相同，但是實際的信息差異依舊很大。所以應當選取那些容易進行區別的點位，譬如邊角點或者是一些位置特殊的點。點云拼接一般需要按照下述步驟進行，首先應當將相鄰的兩個點云實施配準，隨后再將另外一對相鄰的點云以同樣的方式實施配準，兩個組別可以同時進行，最終進行組別間的配準。此種方式能夠很好地降低直接配準所產生的誤差。

3 三維激光掃描測量技術在變形監測中的優劣

三維激光掃描測量技術的優勢之處明顯，但是也有著相應的劣勢，需要采取適宜方式進行分析，還需針對性的判斷，確保三維激光掃描測量手段發揮出最大的作用及價值，更好地服務于變形監測工作。

3.1 優勢

3.1.1 單點定位精度高

結合相關技術的優勢之處加以分析，可以發現其單點定位精度能夠達到亞厘米級，在模型精度上也要高于該精度。現階段，相關學者對此類技術是否適用于變形監測中進行了細致研究，許多工作者也展開了更為細致的分析，落實了對應試驗，結果證明三維激光掃描儀可以將傳統測量方式加以替代，順利完成變形觀測測量的任務。在應用相關技術時，應該肯定這一方面的優勢，也需通過更加合理的手段規范后續使用方法，避免使用方法不當，引起單點定位精度問題。

3.1.2 高效率采集點云數據

根據當前相關技術的應用情況分析，發現三維激光掃描測量技術優勢突出，對比于其他的變形監測手段，該技術的效率較高，還能保證更高精度的采集點云數據，規避傳統變形監測技術的問題。通過適當的設置監測點，保證提升全面度，解決以往監測方案的局部化和片面化問題。點云數據的采集中，需要重視實際的采集方法，可以通過全面細致地分析對應物體情況，讓點云數據的采集精度得以保障，在此基礎上提升基本效率和質量。

3.1.3 效率較高

雖然相較于近景攝影測量變形監測技術，該項技術難以呈現連續三維模型數據場，但是三維激光掃描測量技術的效率較高，可以對后續數據及時處理，迅速生成三維數據模型，實現相關分析。需要關注相關技術的應用優勢及價值，肯定效率貢獻，結合具體的變形監測對象詳細判斷。

3.1.4 非接觸性

此項技術的應用中，除了上述提及到的相關優勢外，還具備著非接觸性特征，同時也融合了數字化以及可視化、自動化、動態化等特性，在實際運用的時候效率效果格外明顯[4]。

3.2 劣勢

盡管相應技術的優勢明顯，對應的理論研究趨向成熟，但是其存在的問題不容忽視，這對于其在變形觀測領域的長遠發展具有限制作用。

3.2.1 適用性問題

當前，變形監測往往基于監測點的變形觀測，結合三維激光掃描測量技術分析，其不具備相應的使用價值，對于無監測點的變形監測方法還需進一步研究和分析。

3.2.2 精度評定及誤差理論待完善

此項技術的優勢明顯，在相關領域展示出自身的應用價值，但是關于精度評定和誤差理論，還需通過適當的方式將其完善，確保實際的精度評定更加符合實際，同時也讓誤差理論展示出指導作用。若是掃描中反映出遮擋的問題，在未能將其妥善處理的情況下，極易影響到變形監測的基本質量。

3.2.3 模型匹配問題

在使用相關技術落實變形監測時，運用到的模型求差法存有變形量，這是需要重點分析的內容。其會涉及兩個三維模型整體對比分析，若是未能考慮干擾性因素，將會影響到模型的匹配度，從而降低變形量的精度。

3.2.4 精度評價體系

盡管該項技術在變形監測中展示出自身的應用優勢及價值，但是關于數據精度和模型精度未具備統一的精度評價體系，這就使得相關評價工作的開展成效有所降低[5]。

4 三維激光掃描測量技術在變形監測中的應用方法

應用實際的舉措時，還需結合具體的需要加以分析，通過充分發揮三維激光掃描測量技術優勢，使得相關問題得到控制，保證從根本上將具體情況適當改善。

4.1 標靶標志法

在研究相應的區域時，應該重視多個穩定且均勻分布的標靶，通過發揮出三維激光掃描儀的作用，實現對不同時段研究區的情況分析，在后續處理的過程中，需要將標靶分辨出來的中心坐標加以提取，判斷不同時段標靶中心坐標的實際變化情況，由此分析出對應的變形信息。在運用該類手段時，往往是類似于設置監測點的方式，通過將點水平位移情況加以分析，更好地提升實際應用成效。對比于傳統的監測手段，此方法的精度更加理想，但是難以將三維激光掃描技術的優勢之處充分體現出來。實際運用技術手段時，必須要結合使用對象加以分析，只有選擇的使用方式得當，才可在最大程度上展示出基本效力，促使著三維激光掃描測量技術優勢顯現到位。

4.2 DEM求差法

此種方式在實際運用的過程中，更適合運用在地表變形監測環節。其借助于相應的掃描儀在不同時段進行研究，分析出區域的基本情況，將兩次或者是多次的點云數據經過一定的處理之后，構建起科學合理的數字高程模型，確保不同時段DEM統一坐標系統得以建立，進行對比相減，獲取整個區域對應任意坐標的下沉值。考慮到不同時段點云數據建立的DEM存在著明顯差異，為了對比相同水平坐標點高程變化，應該將初始數據當做重點的參考，之后將DEM進行內插計算，也就是將某坐標相鄰點的高程加權平均值當做該點高程。當研究一些點的水平位移時，為將地表水平移動的規律進行分析，往往會與傳統手段聯合運用，通過這樣的方式提高基本的實效性。

4.3 模型求差法

此類方法運用的過程中，一般會運用至建筑物以及隧道等空間物體的變形監測中，其可以展示出一定的作用成果，還能結合具體的項目情況全面分析，保證分析的結果符合實際[6]。在借助于三維激光掃描儀獲取物體點云數據后，通過科學的預處理，便可將物體表面模型生成，落實好三維建模，使得不同時段模型統一至對應的坐標中，完成對比分析，提取變形量。

4.3.1 點云數據獲取

首先，為了獲得更為完整的數據，應當安排測量人員提前進行測量區域的點位篩選，即在測量區域內找到一個信號穩定性最好的點位作為測量基準點，并按照需求設置好控制網。安裝掃描儀之后，三維坐標的控制點必須提前錄入系統，隨后進行掃描參數的優化，以基準點為基礎實施單個測站的數據采集。保證不同測站之間的時間在合理的范圍內，并將掃描儀以最快的速度運輸到下一個站位上，直到整個數據收集完畢，再立刻將數據錄入系統中并實施處理。

4.3.2 點云數據預處理

隨著國內建筑物的建造規模越來越大，所得到的點云數據量也不斷增加，這就使得所得到的點云數據不夠準確，所以，一定要優先使用預處理方式來去除一些不可靠的數據。其一般囊括有下述幾個步驟，即點云數據配準、濾波平滑、數據縮減以及所需的三維建模等。值得注意的是，在具體應用期間，必須要學會按照實際需求來找到相匹配的方式。

4.3.3 監測實驗分析

在監測實驗進行中，以目標物為小塊方形面狀鋁板為例。考慮到目標物的體積和形狀特性，可以將掃描分為兩期進行。當全部的預處理成功之后，應當對結果進行后續的變形結果分析。一般來說，常見的變形因素有很多，而區域上升下降的變化占據的影響最大。應當盡可能借助最小二乘擬合法來切實擬合所需目標的平面方程，隨后根據得到的方程變化結果來展開詳盡的分析。

4.3.4 平面擬合分析方法

不同的目標物得到的點云數據大不相同，應當借助最小二乘法平面擬合。眾所周知，國內很多建筑物都是由不同的形狀組合而成的，譬如墻面為長方形，地板為正方形等等。借助觀測可以得到這些物質的具體點云數據，然而，要想實施單獨分析離散點則非常困難，姿態的結果很難保證[7]。而平面擬合分析方法則很好地解決了這個問題，且擬合建模的精度高于離散點。與此同時，為了實現點云數據的綜合利用，應當將不同的點云數據進行比較，找出其中的相同處并進行記錄，在后續的監測中能夠直接用應用這部分的數據，繼而減少測量工作的重復性。還可以借助均勻采樣法從掃描所得的兩期點云數據中各選取10個數據點用以簡化計算。

5 結束語

總而言之，不同于其他技術，三維激光掃描技術具有采集速度快以及結果準確性高的特點，其在不同的變形監測項目中均得到了廣泛的應用，能夠很好地按照要求實施目標物質的監測，得到可靠的掃描結果。伴隨著國內科技的持續進步，基于三維激光掃描技術的變形監測技術勢必會得到更為深遠的應用。與此同時，考慮到掃描儀得到的點云數據量很大，應盡可能將掃描儀和其他數據設備實施結合，根據監測目標的物理和化學特征，幫助掃描儀精準辨別目標。如此獲得的數據不只是含有三維信息，還含有目標本身的物理和化學特性，借助軟件可以實施數據的實時處理，三維模型的合理形成和分析，繼而實現穩定的執行變形監測，達到針對性的預警處理。相信三維激光掃描技術在變形監測中將呈現出巨大的作用，邁向程序化以及智能化的發展道路。