摘要：本文針對(duì)重慶李家沱大橋研究了地面三維激光技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。從激光掃描測(cè)量?jī)x器設(shè)備的精度測(cè)試、數(shù)據(jù)后處理的理論與方法、誤差的成因及影響、與常規(guī)測(cè)量結(jié)果比較等方面，討論了三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題，具有典型的代表意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
　　關(guān)鍵字：變形監(jiān)測(cè)，三維激光掃描，重慶李家沱長(zhǎng)江大橋
　　
　　1. 引言
　　重慶是山地城市，溝谷、河流縱橫，被譽(yù)為橋梁之都，它們的安全運(yùn)營(yíng)、使用直接關(guān)系到人民的安全及出行。為提高變形監(jiān)測(cè)效率，降低安全隱患，避免監(jiān)測(cè)目標(biāo)的損傷，獲取更多的大橋體的變化信息，將地面三維激光掃描技術(shù)引入到橋梁變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。我院一直對(duì)長(zhǎng)江和嘉陵江上的十多座橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)測(cè)，每次監(jiān)測(cè)投入的人力較多，時(shí)間長(zhǎng)，安全隱患大。本文以李家沱大橋2號(hào)塔柱的變形監(jiān)測(cè)為例，從激光掃描測(cè)量?jī)x器設(shè)備的精度測(cè)試、數(shù)據(jù)后處理的理論與方法、誤差的成因及影響，討論了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的可行性、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題，從而進(jìn)一步推動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　
　　2. 地面三維激光掃描測(cè)量工作原理與特點(diǎn)
　　2.1工作原理
　　激光掃描儀的測(cè)距方法是根據(jù)光學(xué)三角測(cè)量的原理，以激光作為光源，通過(guò)掃描儀內(nèi)的發(fā)射裝置，將激光束投射到被測(cè)物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，通過(guò)測(cè)量每個(gè)激光脈沖，從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的
　　時(shí)間或相位差，計(jì)算出激光掃描儀到物體掃描點(diǎn)之間的距離值S和反射強(qiáng)度I，α、θ和S被用來(lái)計(jì)算激光打在被測(cè)物體上的掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)（見(jiàn)公式1），掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度I則用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色。這樣就能夠獲取被測(cè)對(duì)象表面每個(gè)采樣點(diǎn)的空間立體坐標(biāo)，從而得到被測(cè)對(duì)象的離散采樣點(diǎn)集合，即激光點(diǎn)云。α、θ的大小由掃描控制模塊控制，反映的是分辨率。因此，掃描儀根據(jù)應(yīng)用目的不同，選擇距離S和角分辨率，角值越小，點(diǎn)云越多，模型更精細(xì)，紋理更清晰。
　　2.2地面三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)：
　　（1）測(cè)量速度快、效率高，最高達(dá)5000點(diǎn)/秒；
　　（2）信息量豐富，以大量的點(diǎn)云坐標(biāo)代表監(jiān)測(cè)體，且?guī)в薪ㄖ�體表的紋理信息；
　　（3）測(cè)量的準(zhǔn)確性高，精度根據(jù)儀器型號(hào)、距離遠(yuǎn)近、反射面的反射程度不同而有差異，能滿足10mm-0.003mm的精度；
　　（4）非接觸測(cè)量，有利于保護(hù)被測(cè)物體，無(wú)需埋點(diǎn)，節(jié)省資金和時(shí)間，減少了安置反射標(biāo)志帶來(lái)的安全隱患；
　　采用地面三維激光掃描技術(shù)能夠快速、連續(xù)、自動(dòng)地獲取高精度、高密度的三維數(shù)據(jù)，獲得的三維點(diǎn)云具有廣泛的應(yīng)用性。
　　3. 地面三維激光掃描測(cè)量
　　3.1儀器選擇及可行性分析
　　大橋主橋塔柱距江岸橋臺(tái)遠(yuǎn)近不一，根據(jù)重慶長(zhǎng)江李家沱塔柱頂距橋面有117米，2塔柱距按岸邊距離224米，選擇了天寶公司的TrimbleFX3D掃描儀，該儀器最大測(cè)程為350m，在100m內(nèi)其點(diǎn)間距為2.5mm，200米內(nèi)單點(diǎn)精度6.5mm，模型化后一般能夠達(dá)到2mm的點(diǎn)位精度。在進(jìn)行掃描測(cè)量前對(duì)TrimbleFX3D掃描儀的測(cè)距精度進(jìn)行了測(cè)試。
　　由表1可知，在50米內(nèi)，掃描精度能滿足一級(jí)變形精度要求，在150米內(nèi)能滿足二級(jí)變形精度要求，220米內(nèi)能滿足三級(jí)變形精度要求，300米附近只能用于變形量較大的監(jiān)測(cè)對(duì)象，能反映出監(jiān)測(cè)體的變化趨勢(shì)。

　　3.2站點(diǎn)的選擇與外業(yè)掃描
　　科學(xué)合理地架設(shè)掃描儀機(jī)位，對(duì)采集高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)、提高測(cè)量精度、全面反映場(chǎng)景細(xì)節(jié)有著十分重要的意義。對(duì)于斜拉橋來(lái)說(shuō)，最大的變化在橋的縱向上，因此，本次試驗(yàn)選擇在李家沱大橋北橋臺(tái)上設(shè)站，對(duì)重慶李家沱大橋進(jìn)行四個(gè)不同時(shí)期的數(shù)據(jù)采集。為保持地面三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)云與常規(guī)儀器測(cè)量記過(guò)保持在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中，不再進(jìn)行坐標(biāo)套合，獲取點(diǎn)云的工藝流程與傳統(tǒng)測(cè)量方法相似。先架設(shè)儀器，輸入站點(diǎn)坐標(biāo)，后視定向，設(shè)置掃描參數(shù)，通過(guò)彩色攝像機(jī)實(shí)時(shí)選擇測(cè)量區(qū)域，開(kāi)始自動(dòng)掃描作業(yè)、記錄、保存。能在幾分鐘內(nèi)得到感興趣的區(qū)域詳盡準(zhǔn)確的三維立體模型。還可以通過(guò)設(shè)置分辨率來(lái)調(diào)節(jié)掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以控制掃描的時(shí)間效率。需要時(shí)可進(jìn)一步添加掃描對(duì)象或以更高分辨率疊加掃描細(xì)部區(qū)域。
　　3.3數(shù)據(jù)處理的理論與方法
　　三維激光掃描的成果數(shù)據(jù)應(yīng)用均基于大量點(diǎn)云的后處理。對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以進(jìn)行長(zhǎng)、寬、高、面積、體積等幾何數(shù)據(jù)的量測(cè)；也可以進(jìn)行斷面圖、投影圖、等高線（等值線）圖的生成。此外，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以重構(gòu)目標(biāo)的實(shí)體模型，生成二維或三維視圖，也可進(jìn)行任意截面切取分析。
　　原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差、錯(cuò)誤和無(wú)關(guān)信息。這些粗差、錯(cuò)誤或無(wú)關(guān)信息的修正和處理工作，目前主要采用的是利用儀器供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)處理軟件，人工交互剔除。剔除噪聲點(diǎn)是非接觸掃描數(shù)據(jù)處理的一個(gè)關(guān)鍵，但在操作時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎從事，以免丟失有用的重要數(shù)據(jù)信息。
　　3.4誤差的成因及影響
　　影響地面三維激光雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)精度的因素較多，主要包括：步進(jìn)器的測(cè)角精度、儀器的測(cè)時(shí)精度、激光信號(hào)的信噪比、激光信號(hào)的反射率、回波信號(hào)的強(qiáng)度、背景輻射噪聲的強(qiáng)度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測(cè)點(diǎn)間的距離、儀器與被測(cè)目標(biāo)面所形成的角度等。
　　這些影響因素直接導(dǎo)致了相應(yīng)誤差的產(chǎn)生。在不考慮信號(hào)測(cè)量誤差的影響下，地面激光雷達(dá)的采樣數(shù)據(jù)的精度主要取決于激光光斑的尺寸和光斑的點(diǎn)間距，這是影響其分辨率的主要因素。通常情況下，激光掃描數(shù)據(jù)的模型精度要顯著高于單點(diǎn)的精度，可以考慮通過(guò)設(shè)立標(biāo)靶、球形目標(biāo)的坐標(biāo)來(lái)改正點(diǎn)云的坐標(biāo)，提高掃描模型的精度。
　　原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差、錯(cuò)誤和無(wú)關(guān)信息。這些粗差的剔除是掃描數(shù)據(jù)處理的一個(gè)關(guān)鍵，目前主要采用的是人工交互操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　4. 李家沱大橋2號(hào)塔柱變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析
　　4.1數(shù)據(jù)處理

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