摘要：本文針對重慶李家沱大橋研究了地面三維激光技術在變形監測中的應用。從激光掃描測量儀器設備的精度測試、數據后處理的理論與方法、誤差的成因及影響、與常規測量結果比較等方面，討論了三維激光掃描技術在橋梁變形監測領域內應用的可行性、技術優勢和存在的問題，具有典型的代表意義和社會經濟價值。
　　關鍵字：變形監測，三維激光掃描，重慶李家沱長江大橋
　　
　　1. 引言
　　重慶是山地城市，溝谷、河流縱橫，被譽為橋梁之都，它們的安全運營、使用直接關系到人民的安全及出行。為提高變形監測效率，降低安全隱患，避免監測目標的損傷，獲取更多的大橋體的變化信息，將地面三維激光掃描技術引入到橋梁變形監測領域，具有極大的現實意義。我院一直對長江和嘉陵江上的十多座橋梁進行安全監測測，每次監測投入的人力較多，時間長，安全隱患大。本文以李家沱大橋2號塔柱的變形監測為例，從激光掃描測量儀器設備的精度測試、數據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應用在變形監測領域內的可行性、技術優勢和存在的問題，從而進一步推動三維激光掃描技術在測繪領域的應用。
　　
　　2. 地面三維激光掃描測量工作原理與特點
　　2.1工作原理
　　激光掃描儀的測距方法是根據光學三角測量的原理，以激光作為光源，通過掃描儀內的發射裝置，將激光束投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，通過測量每個激光脈沖，從發出經被測物表面再返回儀器所經過的
　　時間或相位差，計算出激光掃描儀到物體掃描點之間的距離值S和反射強度I，α、θ和S被用來計算激光打在被測物體上的掃描點的三維坐標（見公式1），掃描點的反射強度I則用來給反射點匹配顏色。這樣就能夠獲取被測對象表面每個采樣點的空間立體坐標，從而得到被測對象的離散采樣點集合，即激光點云。α、θ的大小由掃描控制模塊控制，反映的是分辨率。因此，掃描儀根據應用目的不同，選擇距離S和角分辨率，角值越小，點云越多，模型更精細，紋理更清晰。
　　2.2地面三維激光掃描技術的特點：
　　（1）測量速度快、效率高，最高達5000點/秒；
　　（2）信息量豐富，以大量的點云坐標代表監測體，且帶有建筑體表的紋理信息；
　　（3）測量的準確性高，精度根據儀器型號、距離遠近、反射面的反射程度不同而有差異，能滿足10mm-0.003mm的精度；
　　（4）非接觸測量，有利于保護被測物體，無需埋點，節省資金和時間，減少了安置反射標志帶來的安全隱患；
　　采用地面三維激光掃描技術能夠快速、連續、自動地獲取高精度、高密度的三維數據，獲得的三維點云具有廣泛的應用性。
　　3. 地面三維激光掃描測量
　　3.1儀器選擇及可行性分析
　　大橋主橋塔柱距江岸橋臺遠近不一，根據重慶長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，該儀器最大測程為350m，在100m內其點間距為2.5mm，200米內單點精度6.5mm，模型化后一般能夠達到2mm的點位精度。在進行掃描測量前對TrimbleFX3D掃描儀的測距精度進行了測試。
　　由表1可知，在50米內，掃描精度能滿足一級變形精度要求，在150米內能滿足二級變形精度要求，220米內能滿足三級變形精度要求，300米附近只能用于變形量較大的監測對象，能反映出監測體的變化趨勢。

　　3.2站點的選擇與外業掃描
　　科學合理地架設掃描儀機位，對采集高質量的三維數據、提高測量精度、全面反映場景細節有著十分重要的意義。對于斜拉橋來說，最大的變化在橋的縱向上，因此，本次試驗選擇在李家沱大橋北橋臺上設站，對重慶李家沱大橋進行四個不同時期的數據采集。為保持地面三維激光掃描技術數據點云與常規儀器測量記過保持在同一坐標系統中，不再進行坐標套合，獲取點云的工藝流程與傳統測量方法相似。先架設儀器，輸入站點坐標，后視定向，設置掃描參數，通過彩色攝像機實時選擇測量區域，開始自動掃描作業、記錄、保存。能在幾分鐘內得到感興趣的區域詳盡準確的三維立體模型。還可以通過設置分辨率來調節掃描點的個數，以控制掃描的時間效率。需要時可進一步添加掃描對象或以更高分辨率疊加掃描細部區域。
　　3.3數據處理的理論與方法
　　三維激光掃描的成果數據應用均基于大量點云的后處理。對獲得的點云數據，根據需要可以進行長、寬、高、面積、體積等幾何數據的量測；也可以進行斷面圖、投影圖、等高線（等值線）圖的生成。此外，點云數據可以重構目標的實體模型，生成二維或三維視圖，也可進行任意截面切取分析。
　　原始點云數據包含了大量的粗差、錯誤和無關信息。這些粗差、錯誤或無關信息的修正和處理工作，目前主要采用的是利用儀器供應商提供的數據處理軟件，人工交互剔除。剔除噪聲點是非接觸掃描數據處理的一個關鍵，但在操作時應謹慎從事，以免丟失有用的重要數據信息。
　　3.4誤差的成因及影響
　　影響地面三維激光雷達采樣數據精度的因素較多，主要包括：步進器的測角精度、儀器的測時精度、激光信號的信噪比、激光信號的反射率、回波信號的強度、背景輻射噪聲的強度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測點間的距離、儀器與被測目標面所形成的角度等。
　　這些影響因素直接導致了相應誤差的產生。在不考慮信號測量誤差的影響下，地面激光雷達的采樣數據的精度主要取決于激光光斑的尺寸和光斑的點間距，這是影響其分辨率的主要因素。通常情況下，激光掃描數據的模型精度要顯著高于單點的精度，可以考慮通過設立標靶、球形目標的坐標來改正點云的坐標，提高掃描模型的精度。
　　原始點云數據包含了大量的粗差、錯誤和無關信息。這些粗差的剔除是掃描數據處理的一個關鍵，目前主要采用的是人工交互操作來實現。
　　4. 李家沱大橋2號塔柱變形監測數據處理與分析
　　4.1數據處理

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