三维激光扫描技术在变形监测中的应用

1.仪器介绍

  三维激光扫描测量技术也被称作实景复制技术，通过三维激光扫描仪扫描，能大范围、高精度、高分辨率的，以非接触的方式快速获取目标体表面每个采样点的三维坐标数据。三维激光扫描测量系统包括三维激光扫描仪、系统软件、电源以及附属设备。其中，三维激光扫描仪的主要构造包括精确的激光测距系统、引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜、水平方位偏转控制器、高度角偏转控制器、数据输出处理器，部分仪器还具有内置的数码相机。
  三维激光扫描仪采用非接触式通过发射高速激光获取到物体表面的距离、水平角、竖直角及反射强度，自动计算并存储得到点云数据。
  按照激光类型不同，可将三维激光扫描仪分为相位式和脉冲式 。相位式三维激光扫描仪的优点是扫描速度快、精度高、点密度大、可以近距离扫描，而缺点是扫描距离相对较近，通常是几十米至几百米。而脉冲式三维激光扫描仪优点是扫描距离远，可以达到数公里，其缺点是近距离扫描效果差，扫描速度较慢。按照扫描的距离长远，又可划分为短距、中距和长距离扫描仪。若按照扫描仪搭载的平台不同，可划分为手持、车载、机载扫描。
  三维激光扫描技术在变形监测中的方法（1）标靶标志法、（2）DEM 求差法、（3）模型求差法
标靶标志法
  在研究区域安装多个稳定的、均匀分布的标靶，用三维激光扫描仪在不同时段扫描研究区域，在后续处理中将标靶分辨出来提取中心坐标，通过比较各时段标靶中心坐标的变化来提取变形信息。这种方法类似于传统的设置监测点的方法，可以同时获取点的水平位移情况。相对于传统变形监测的方法，这种方法精度更高，但无法充分发挥三维激光扫描技术的优势。
DEM求差法
  一般运用于地表的变形监测，利用激光扫描仪在不同时段扫描研究区域，将两多次获取的点云数据经过数据预处理后，建立精度的数字高程模型（DEM），同时将各时段的DEM统一坐标系统，进行不同时段的DEM比较相减，就可以得到整个区域对应任意坐标的下沉值。
模型求差法
  一般运用于建筑物、隧道等空间物体的变形监测中，利用三维激光扫描仪获取物体的点云数据，经过数据预处理后生成物体的表面模型，或进行三维建模，将同时段内的模型统一到同一坐标系中，以不同时段的模型进行对比分析可以提取变形量。
三维激光扫描技术在变形监测中的优点
（1）单点定位精度能达到毫米级、能高效率、高精度地采集到目标表面的点云数据、
（2）能快速准确地生成监测对象的三维数据模型、
（3）非接触性，数字化、可视化，自动化，实时性、动态性等。

2.三维激光扫描技术在变形监测中的缺点

（1）基于监测点的变形观测不完全适合基于三维激光扫描技术的变形监测，无监测点的变 形监测方法有待探究。
（2）与三维激光扫描技术相关的精度评定和误差理论等必须进一步完善。
（3）模型求差法中匹配的精度对变形量的获取精度有着直接的影响
（4）在变形监测的数据精度和模型精度上没有一个统一的精度评价体系。

3. 影响三维激光扫描采样数据精度的因素

  步进器的测角精度、仪器的测时精度 、激光信号的信噪比、激光信号的反射率 、回波信号的强度、背景辐射噪声的强度 、激光脉冲接受器的灵敏度 、仪器与被测点间的距离 、仪器与被测目标面所形成的角度，目标物体的颜色，外界环境因素等。扫描仪的采样数据的精度主要取决于激光光斑的尺寸和光斑的点间距,小的光斑能提高细节的分辨率 ,小的点间距能增大采样点的密度, 同时提高模型的构建精度 ,通常情况下 ,模型的精度要显著高于单点的精度。激光扫描仪的工作角度和距离对测量精度有着直接的影响。仪器与被测点的距离越近 ,激光光斑越小 ,分辨率越高 ,回波信号也越强 , 相应的测量精度就越高 ,反之 ,则测量精度越低;入射激光与被测点的曲面法线所形成的角度越小 ,激光光斑越小, 分辨率越高 ,点间距越小,回波信号也越强 ,相应的测量精度就越高, 反之 ,则测量精度越低。

4. 变形监测分析方法

点变形分析
  根据建筑结构特征，可以选取结构本身所具有的角点作为特征点进行变形分析，要求对结构特征点进行多期准确扫描，获取特征点三维坐标，直接通过比较三维坐标的变化判断变形情况这一方法对特征点三维坐标获取的精准度要求很高，三维坐标数据获取精度直接影响变形分析的结果。
线状变形分析
  线状变形分析主要对象是分析对象的特征线，根据扫描获取不同时期点云数据，设定相同点云间隔，在相同位置对分析对象进行切片处理，获取由众多点云数据组成的线截面，分析两期截面之间偏移量，达到变形分析的目的。为了了解监测对象变形情况，在点云数据上每隔一定距离截取一个截面线拟合，获得特征线。
面状变形分析
  面状变形分析前，一种方法是将离散点云构建成可编辑面片，直接利用软件对离散点云数据进行封装构面，以三角格网形式构建面片，获得扫描对象三维几何模型。另一种方法是通过三维离散点云数据直接进行平面或是曲面拟合，获得扫描对象的三维几何模型。

5. 参考文献

① 朱磊， 王健，毕京学. 三维激光扫描技术在变形监测中的应用[J]． 北京测绘，2014.05.021 (1)78-82
该文章主要介绍三维激光扫描仪的工作原理，分类，在变形监测中运用的主要方法，以及运用于变形监测的优缺点。
② 陈  伟：三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用[J]．地理空间信息，2019.(7)103—106
该文章主要介绍三维激光扫描仪的概念，工作原理，点云数据误差的来源，点云数据采集处理，数据分析方法等。
③ 罗德安 , 朱 光 , 等。基于 3 维激光影像扫描技术的整体变形监测[J]．测绘通报，2005.(7)40-43
这篇文章主要介绍三维激光扫描仪获取数据的精度影响因素以及整体变形监测的概念。这里主要参考了关于获取数据精度的论述。
④ 姚晓亮：基于三维激光扫描的古建筑变形监测与分析方法研究[J]．现代测绘，2019.(7)23—27
（具体应用实例）

6. 三维激光扫描在矿区地面沉陷变形监测中的应用

  地面沉降变形监测数据采集与预处理，地面沉降变形监测工作流程：

1.1 监测方案布置:分为(1)测站、(2)控制标靶以及（3）基准点设置
（1） 测站设置
  测站设置即扫描获取整个研究区点云数据所需设置的测站数量和扫描仪的安放位置。布置原则: 在确定要扫描的目标对象以及被扫描对象周围环境后，针对扫描对象的位置、大小、形态及所需获取的重点属性后，确定测站位置和站数; 为了后续数据处理时保证数据拼接精度，测站数≤3 站为宜。
（2）控制标靶设置
  控制标靶即用于不同测站所获取点云数据拼接的基准点。布置原则: 必须布置于两相邻测站扫描仪都能识别标靶中心的位置; 同一区域布置的控制标靶数量至少≥3 个( 一般情况下布置 4 ～ 5 个标靶) ; 标靶位置不能处于同一条直线上。
（3）控制点设置
  控制点用于对不同期次点云数据坐标进行配准。控制点的布置必须作严格要求，因为控制点的稳定性和可靠性将直接影响变形监测结果的可靠性和精度。布置原则: 控制点需布置于无变形区域，控制点的个数≥3( 一般布置 4 个，其中一个作为备用) ; 在监测周期内控制点的必须具有足够的稳定性而不会被人为或者自然破坏; 控制点位置不能处于同一直线上。
  一般情况下，监测对象所在区域或多或少都存在一定的变形，控制点要布置于绝对的无变形区域无法满足，这种情况下，监测点需布置于区域变形量相对较小的位置，并假定控制点是相对不变形，从而获得该区域的相对变形结果。
1.2点云数据采集（ Cyclone 软件）
  布设好监测方案后，三维激光扫描仪会根据设置好的扫描参数自动进行场景扫描，为了使后续数据处理方便，注意对待测目标关键部位进行细部扫描，最终获得完整的目标物体三维点云图像。
1.3点云去噪处理
  三维激光扫描仪在获取点云图像的时候采集到的如树木，电线杆等与变形监测无关的信息，需要对其进行删除，减小干扰提高数据质量，这个过程称为点云去噪处理。
1.4点云数据拼接
  由于研究区点云数据是通过设置两站获取的分幅数据，因而要得到研究区的完整点云数据，需要将两站点云数据进行拼接。不同测站点云数据的拼接是基于控制标靶完成，拼接误差一般要求控制在在 0 ～ 3mm，否则不能满足变形监测的精度要求。
1.5两期数据坐标配准
  经过拼接后的两期三维点云数据是基于不同扫描仪位置为参考点获取的，因而具有各自独立的坐标系，为了对两期数据进行对比分析，需要将两期数据进行坐标配准，以获得统一的坐标系。
以第一期的三维点云数据为基准坐标系统，依据获取的第一期三维扫描数据中的控制点坐标值为基准，利用第一期监测点坐标对第二期三维扫描数据进行坐标匹配。( 一般坐标匹配精度要求在0 ～ 4mm)
2.监测数据后处理及结果分析
  地面沉降变形监测的基本思想: 假设地面、墙体、建筑物等是不变形的( 没有位移变化) ，对两期三维数据进行对比分析比较，若两期三维点云数据坐标基本无变化，则说明监测区没有发生变形; 若三维点云坐标发生变化，则说明监测区发生了变形，具体的变形特征需要提取两期三维点云数据变形结果进行对比分析
2.1单点变形提取分析
  利用两期点云数据坐标值差值计算特征点的变形量值。特征点选取原则: 监测区的树木、盆景等可能人为移动的物体不能作为特征点选取，应当选取监测区墙体、建筑物、边坡等的典型拐点、交叉点等作为特征点。
2.2线沉降变形提取分析
  单一的点特征变形仅能反映出研究区的离散变形特征，而不能反映出连续的线性变形特征。通过提取研究区Z轴方向剖面线可直观反映出地面沉降线性变形特征。
2.3整体变形特征提取分析
   点、线沉降变形只能反映离散的点位移或局部线性变形特征，不能充分反应监测区的整体变形情况。利用后处理软件对研究区两期三维点云数据分别建立表面模型，形成一幅基于两期监测对象相同部位点云距离差值的整体沉降变形假彩色平面模型就能够清楚地反映出研究区整体沉降变形趋势及位移大小。

1. 减小误差的措施
   （1）增加扫描仪设站点: 一是可以减小扫描距离，从而降低激光发散度; 二是可以减小激光光束方向与物体表面切平面法线的角度。
   （2）提高控制网精度
   点云数据需要进行后期拼接，不同期的点云数据需要进行比对，从而获得变形数据。提高控制网精度的意义在于减小点云数据拼接时产生的误差，减小重复观测中因控制网误差对点云数据的影响。一般可使用高精度全站仪和水准仪进行控制测量，获得高精度的控制网数据。
   （3）提高点云数据拼接精度
   主要是选择合适的拼接算法和拼接方法。边坡较小，点云数据量不大，可通过搜索点云数据中的同名点进行拼接。边坡较大，可在被测目标上提前安置一定数量的反射标靶，以反射标靶作为拼接的基点进行点云数据拼接。
   工程应用实例
   三维激光扫描仪在边坡变形监测中应用流程图：
   （以全球定位技术(GNSS)建立的大地坐标控制网为例）

1.控制测量
  控制网由3个带有强制对中装置的基准点和3个工作基点构成基准网。首先，使用高精度全站仪和水准仪二等精度施测; 其次，为便于点云数据拼接，在边坡显著位置布设3个反射标靶
2.数据采集
  分别在 3 个工作基点上架设三维激光扫描仪对边坡进行扫描，每个测站独立扫描 2 次。
3.数据处理及分析
  先对采集的原始点云数据进行过滤和去噪，然后对点云数据进行拼接，三维建模; 最后将多期点云数据进行叠加分析，得出边坡的变形情况。数据重采样：在设置扫描密度的时候一般设置的较小，这样可以较为真实的反应边坡起伏变化情况，但是这也导致获得的点云数据量非常大，其中不免存在大量的冗余数据，影响到数据处理的效率，不利于后续的边坡三维建模，所以要对去噪后的点云数据进行重采样。在 GeomagicStudio 中有4种采样方法，分别为统一采样、曲率采样、栅格采样和随机采样。
4.数据对比
霍欣杰，等: 浅析三维激光扫描仪在边坡变形监测中的应用.［J］．测绘通报，2017，( 11) : 157 － 158．
这篇文章主要介绍三维激光扫描仪的误差来源和解救方案，重点介绍了通过对点云数据和普通全站仪等获取数据的对比来实现变坡变形监测。
张 亚，王海珍，王 涛.基于三维激光扫描技术的矿区边坡变形监测研究［J］．2018，10( 5) : 188 －191．
这篇文章介绍了三维激光扫描仪的工作原理，在变形监测中的主要工作数据采集，数据处理，数据分析，数据重采样等。
陈  伟：三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用.[J]．地理空间信息，2019.(7)103—106
该文章主要介绍三维激光扫描仪的工作原理，点云数据误差的来源，点云数据采集处理，数据分析方法等。
许佳宾，黄鹤．三维激光扫描技术在高危边坡监测中的应用［J］．北京测绘，2017:76-79

  RANSAC(随机抽样一致性算法)基本思想：进行参数估计时设计一个判断标准，以此来剔除一些与估计参数不一致的数据，然后利用正确的数据来估计参数。
  判断准则设计：建筑物一般都具有规则的几何形状，同一平面的点满足空间方程：ax+by+cz=d。因此，从原始点云中提取不同的点云面片，实质是求不同点云面片的平面参数。
建筑物立面上的待选点集 $xi，yi，zi(i=1，2，\dots ，n)$的基本矩阵F满足公式，直接利用随机选出的 3 个原始数据点作为内点得到参数初始值，然后根据初始值寻找数据集合中别的内点，可以极大地提高数据处理的效率，最大限度地减少噪声和外点的影响。 判断准则：根据点到平面的距离公式设定一定的容忍值阈值 δ°来近似拟合平面。立面点云中，当该点与其对应平面的距离不超过 δ°时，称为局内点，否则为局外点。当点到平面的距离在一定容人之范围内将点赋予该面。对于明显不是面片上的点，在判断准则中加入r半径密度，即当前点在半径为 r 的空间邻域内的点的个数。一般情况下，立面点云在面片范围内呈连续分布，r 较高，而面片外的点的 r相对较低，通过选择合适的阈值 r° ，就可以对面片外的点进行剔除。
  面片合并对点云进行分割后，可能还存在一部分在空间上近似是一个平面的面片（如下图），需要设计一些优化原则对它们进行合并。两个面片能够合并需满足如下条件: ①面片之间夹角(用两个平面之间的法向量夹角表示)小于一定阈值; ②原点到面片之间的距离差(可用两面片距离向量与法向量距离的最大值表示)的绝对值小于一定阈值。