三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用

王 凯

（北京京密鸿图测绘有限公司，北京 101500）

在20世纪末，国外开始兴起三维激光扫描技术，其又被称为“实景复制技术”。具体来说，其指的是借助高速激光扫描测量的手段，以最快的速度去获取目标的实际三维坐标数据，不受限于目标的大小和位置，得到的空间点位信息明确，达到的分辨率很高。而在国内很多项目中都需要用到变形监测，也就是借助一些特定的仪器以及手段来对可能发生变形的物体实施观测，对于变形体的后续变形进度以及最终的变形结果做出预测，其最主要的目标就是要考虑外界多种因素的干扰，以最快的速度得到变形体的详尽信息特征[1]。就目前而言，过往用于变形监测中的方式常见的就是GPS或者是全站仪，然而这些测量方式都只能实现单一的监测，需要提前找到目标物的核心观测点，随即展开监测，随后由采集得到的区部信息来进行整个目标物的预测。而不同于这两种方式，三维激光扫描技术不需要提前设置核心观测点，而是直接将观测点设置成整个目标物质，实现了数据的完整性。所以，将其用于国内变形监测项目中极具价值。

1 三维激光扫描测量技术的测量原理

想要让三维激光扫描测量技术发挥出对应的价值及优势，需要重点将其原理加以判断，结合具体的运用方向进行分析，确保相应的技术展示出最大优势。三维激光扫描测量技术主要囊括有下述几个关键设备：首先就是三维激光扫描仪，其最大的作用就是可以对测量距离进行实时的把控，并根据实际需求一步步促使激光瞄准正确的方向并进行旋转扫描，对于出现的方位偏差实时有效地调整。其次就是系统软件，最后就是需要电源以及一些辅助的设备。具体来说，三维激光扫描测量技术借助水平方位偏转控制器以及对应的高度角偏转控制器科学控制反射棱镜的实际转动，使得由激光测距系统发射的激光能够顺着不同的坐标轴实施移动并慢慢扫描测量。随后借助测得的三维扫描仪中心到目标点的斜距、激光束水平方向偏转角和竖直方向偏转角来校准并计算激光脚点的实际三维坐标。全部目标物信息数据收集完成后，还需要将这些数据按照文件夹上传到所需点云，最后以这些点云来描述所需的目标采样结果。目前，该项技术被广泛地运用，在生产以及生活等多个领域均可看到其身影，结合系统平台运行的实际情况，可以将其划分出不同类型，包含车载激光扫描技术以及便携式激光扫描技术等。为了达到更加理想的应用成效，需要对具体的技术原理详细判断，才能发挥出相关技术的最大利用价值。

2 三维激光扫描测量技术的测量误差

作为一种新型技术，三维激光扫描测量技术备受关注，但是在其运用的过程中也易出现误差问题，主要是多种因素的共同影响所致。需要正视相关误差的存在，针对不同误差展开分析，制定出科学的应对策略，让三维激光扫描测量技术的优势之处充分体现，保证达到最佳的使用效果[2]。

2.1 系统误差

应该明确相关技术运用中极易出现的系统误差，这是需要重点考虑的问题之一，可以通过适宜的手段规范误差处理的方式，保证提升相关技术应用精准度。系统误差，顾名思义，指的是由测量仪器内部结构老化或者是缺陷引起的，常见的误差包括仪器内部一些零件发生脱落，不同部件之间错位，计时器显示偏差，测量频率误差以及激光束发射位移等。系统误差一般很难消除，但是可以借助提前设定好的改正模型来进行误差的降低和削弱。

2.2 测量误差

测量误差的引发因素有很多。最常见的就是下述四种。首先就是测距出现的位移偏差。现阶段最常用到的激光测距手段主要为脉冲测距法以及相位测距法。使用前者进行测距时一定要注意仪器内部也就是石英钟的计时误差，由于激光往返速度很快，计时的频率往往要求很高，为此，一定要严格控制计时的准确性。使用后者来进行测距时则应当关注调制激光束的电磁波频率误差。其次就是测角时出现的角度偏移误差。测角囊括有竖直角以及水平方向的测量。而由于角度的不同，扫描镜的位置旋转难以固定，这就使得一些细微的角度无法被监测到，继而出现非均匀转动误差。再者就是与目标物质自身特性相关联的误差。众所周知，激光束指向目标表面之后，由于不同目标物质的大小和形状差异，对于仪器回收的信息会产生严重的干扰，这就使得测距结果准确性无法保证。加上不同物体构成材料的差异性，目标物质实际的倾斜角度等，激光的强度以及实际方向时常变化，所以，在具体应用过程中，应重点关注二者形成的夹角大小，在符合要求的基准上慢慢降低夹角大小。最后就是由于测量环境不同所形成的误差。使用这项扫描技术时，实时的温度变化会使得仪器出现形状的差异，压力则会使得仪器精准度受到破坏，不论是何种变化，都应当在误差的考虑范围内，并在数值稳定时展开测量。

2.3 坐标配准误差

坐标配准误差，其一般出现在数据处理环节中。在进行不同点位扫描时，由于一些点位之间存在折叠，这就使得点位的坐标存在重复。而坐标配准则可以很好地解决这个问题，其可以将一些重复的数据进行系统录入，也就是将这些信息进行标记，在后续处理时进行数据的剔除。使用不同的配准方法能够直接影响到结果的准确度[3]。考察到点云的数量很多，即便是一些点位的名字相同，但是实际的信息差异依旧很大。所以应当选取那些容易进行区别的点位，譬如边角点或者是一些位置特殊的点。点云拼接一般需要按照下述步骤进行，首先应当将相邻的两个点云实施配准，随后再将另外一对相邻的点云以同样的方式实施配准，两个组别可以同时进行，最终进行组别间的配准。此种方式能够很好地降低直接配准所产生的误差。

3 三维激光扫描测量技术在变形监测中的优劣

三维激光扫描测量技术的优势之处明显，但是也有着相应的劣势，需要采取适宜方式进行分析，还需针对性的判断，确保三维激光扫描测量手段发挥出最大的作用及价值，更好地服务于变形监测工作。

3.1 优势

3.1.1 单点定位精度高

结合相关技术的优势之处加以分析，可以发现其单点定位精度能够达到亚厘米级，在模型精度上也要高于该精度。现阶段，相关学者对此类技术是否适用于变形监测中进行了细致研究，许多工作者也展开了更为细致的分析，落实了对应试验，结果证明三维激光扫描仪可以将传统测量方式加以替代，顺利完成变形观测测量的任务。在应用相关技术时，应该肯定这一方面的优势，也需通过更加合理的手段规范后续使用方法，避免使用方法不当，引起单点定位精度问题。

3.1.2 高效率采集点云数据

根据当前相关技术的应用情况分析，发现三维激光扫描测量技术优势突出，对比于其他的变形监测手段，该技术的效率较高，还能保证更高精度的采集点云数据，规避传统变形监测技术的问题。通过适当的设置监测点，保证提升全面度，解决以往监测方案的局部化和片面化问题。点云数据的采集中，需要重视实际的采集方法，可以通过全面细致地分析对应物体情况，让点云数据的采集精度得以保障，在此基础上提升基本效率和质量。

3.1.3 效率较高

虽然相较于近景摄影测量变形监测技术，该项技术难以呈现连续三维模型数据场，但是三维激光扫描测量技术的效率较高，可以对后续数据及时处理，迅速生成三维数据模型，实现相关分析。需要关注相关技术的应用优势及价值，肯定效率贡献，结合具体的变形监测对象详细判断。

3.1.4 非接触性

此项技术的应用中，除了上述提及到的相关优势外，还具备着非接触性特征，同时也融合了数字化以及可视化、自动化、动态化等特性，在实际运用的时候效率效果格外明显[4]。

3.2 劣势

尽管相应技术的优势明显，对应的理论研究趋向成熟，但是其存在的问题不容忽视，这对于其在变形观测领域的长远发展具有限制作用。

3.2.1 适用性问题

当前，变形监测往往基于监测点的变形观测，结合三维激光扫描测量技术分析，其不具备相应的使用价值，对于无监测点的变形监测方法还需进一步研究和分析。

3.2.2 精度评定及误差理论待完善

此项技术的优势明显，在相关领域展示出自身的应用价值，但是关于精度评定和误差理论，还需通过适当的方式将其完善，确保实际的精度评定更加符合实际，同时也让误差理论展示出指导作用。若是扫描中反映出遮挡的问题，在未能将其妥善处理的情况下，极易影响到变形监测的基本质量。

3.2.3 模型匹配问题

在使用相关技术落实变形监测时，运用到的模型求差法存有变形量，这是需要重点分析的内容。其会涉及两个三维模型整体对比分析，若是未能考虑干扰性因素，将会影响到模型的匹配度，从而降低变形量的精度。

3.2.4 精度评价体系

尽管该项技术在变形监测中展示出自身的应用优势及价值，但是关于数据精度和模型精度未具备统一的精度评价体系，这就使得相关评价工作的开展成效有所降低[5]。

4 三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用方法

应用实际的举措时，还需结合具体的需要加以分析，通过充分发挥三维激光扫描测量技术优势，使得相关问题得到控制，保证从根本上将具体情况适当改善。

4.1 标靶标志法

在研究相应的区域时，应该重视多个稳定且均匀分布的标靶，通过发挥出三维激光扫描仪的作用，实现对不同时段研究区的情况分析，在后续处理的过程中，需要将标靶分辨出来的中心坐标加以提取，判断不同时段标靶中心坐标的实际变化情况，由此分析出对应的变形信息。在运用该类手段时，往往是类似于设置监测点的方式，通过将点水平位移情况加以分析，更好地提升实际应用成效。对比于传统的监测手段，此方法的精度更加理想，但是难以将三维激光扫描技术的优势之处充分体现出来。实际运用技术手段时，必须要结合使用对象加以分析，只有选择的使用方式得当，才可在最大程度上展示出基本效力，促使着三维激光扫描测量技术优势显现到位。

4.2 DEM求差法

此种方式在实际运用的过程中，更适合运用在地表变形监测环节。其借助于相应的扫描仪在不同时段进行研究，分析出区域的基本情况，将两次或者是多次的点云数据经过一定的处理之后，构建起科学合理的数字高程模型，确保不同时段DEM统一坐标系统得以建立，进行对比相减，获取整个区域对应任意坐标的下沉值。考虑到不同时段点云数据建立的DEM存在着明显差异，为了对比相同水平坐标点高程变化，应该将初始数据当做重点的参考，之后将DEM进行内插计算，也就是将某坐标相邻点的高程加权平均值当做该点高程。当研究一些点的水平位移时，为将地表水平移动的规律进行分析，往往会与传统手段联合运用，通过这样的方式提高基本的实效性。

4.3 模型求差法

此类方法运用的过程中，一般会运用至建筑物以及隧道等空间物体的变形监测中，其可以展示出一定的作用成果，还能结合具体的项目情况全面分析，保证分析的结果符合实际[6]。在借助于三维激光扫描仪获取物体点云数据后，通过科学的预处理，便可将物体表面模型生成，落实好三维建模，使得不同时段模型统一至对应的坐标中，完成对比分析，提取变形量。

4.3.1 点云数据获取

首先，为了获得更为完整的数据，应当安排测量人员提前进行测量区域的点位筛选，即在测量区域内找到一个信号稳定性最好的点位作为测量基准点，并按照需求设置好控制网。安装扫描仪之后，三维坐标的控制点必须提前录入系统，随后进行扫描参数的优化，以基准点为基础实施单个测站的数据采集。保证不同测站之间的时间在合理的范围内，并将扫描仪以最快的速度运输到下一个站位上，直到整个数据收集完毕，再立刻将数据录入系统中并实施处理。

4.3.2 点云数据预处理

随着国内建筑物的建造规模越来越大，所得到的点云数据量也不断增加，这就使得所得到的点云数据不够准确，所以，一定要优先使用预处理方式来去除一些不可靠的数据。其一般囊括有下述几个步骤，即点云数据配准、滤波平滑、数据缩减以及所需的三维建模等。值得注意的是，在具体应用期间，必须要学会按照实际需求来找到相匹配的方式。

4.3.3 监测实验分析

在监测实验进行中，以目标物为小块方形面状铝板为例。考虑到目标物的体积和形状特性，可以将扫描分为两期进行。当全部的预处理成功之后，应当对结果进行后续的变形结果分析。一般来说，常见的变形因素有很多，而区域上升下降的变化占据的影响最大。应当尽可能借助最小二乘拟合法来切实拟合所需目标的平面方程，随后根据得到的方程变化结果来展开详尽的分析。

4.3.4 平面拟合分析方法

不同的目标物得到的点云数据大不相同，应当借助最小二乘法平面拟合。众所周知，国内很多建筑物都是由不同的形状组合而成的，譬如墙面为长方形，地板为正方形等等。借助观测可以得到这些物质的具体点云数据，然而，要想实施单独分析离散点则非常困难，姿态的结果很难保证[7]。而平面拟合分析方法则很好地解决了这个问题，且拟合建模的精度高于离散点。与此同时，为了实现点云数据的综合利用，应当将不同的点云数据进行比较，找出其中的相同处并进行记录，在后续的监测中能够直接用应用这部分的数据，继而减少测量工作的重复性。还可以借助均匀采样法从扫描所得的两期点云数据中各选取10个数据点用以简化计算。

5 结束语

总而言之，不同于其他技术，三维激光扫描技术具有采集速度快以及结果准确性高的特点，其在不同的变形监测项目中均得到了广泛的应用，能够很好地按照要求实施目标物质的监测，得到可靠的扫描结果。伴随着国内科技的持续进步，基于三维激光扫描技术的变形监测技术势必会得到更为深远的应用。与此同时，考虑到扫描仪得到的点云数据量很大，应尽可能将扫描仪和其他数据设备实施结合，根据监测目标的物理和化学特征，帮助扫描仪精准辨别目标。如此获得的数据不只是含有三维信息，还含有目标本身的物理和化学特性，借助软件可以实施数据的实时处理，三维模型的合理形成和分析，继而实现稳定的执行变形监测，达到针对性的预警处理。相信三维激光扫描技术在变形监测中将呈现出巨大的作用，迈向程序化以及智能化的发展道路。