基于3维激光影像扫描技术的整体变形监测

文章编号:0494-0911(2005)07-0040-03

中图分类号:P258 文献标识码:B

基于3维激光影像扫描技术的整体变形监测

罗德安,朱 光,陆 立,廖丽琼

(北京建筑工程学院测量工程系,北京100044)

WholeObjectDeformationMonitoringBasedon3DLaserScanningTechnology

LUODe-an,ZHUGuang,LULi,LIAOL-iqiong

摘要:对3维激光影像扫描仪测绘成果的误差成因、误差影响方式进行分析,论述3维激光影像扫描技术在变形监测领域内应用

的可行性、技术优势和存在的问题,并提出基于3维激光影像扫描技术的整体变形监测的基本理论。

关键词:3维激光扫描技术;整体变形监测;误差

一、引 言

3维激光影像扫描技术是20世纪90年代中期开始出现的一项高新技术,是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破,是一种崭新的革命性的测量工具。3维激光影像扫描仪小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性强,能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的3维立体影像,能提供准确的定量分析,可广泛应用于各相关领域,如快速建立城市3维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等领域。

构筑物(如大坝、高层建筑、桥梁及城市地铁等)的变形监测是维护构筑物正常使用的必要技术措施,对保护国家和人民的生命及财产安全具有十分重要的意义。对构筑物的变形监测可以采用多种技术手段,如GPS技术、精密水准测量及近景摄影测量等,相关的方法及理论研究都已比较深入,形成了相应的技术及理论体系。3维激光影像扫描技术,作为一种全新的测绘技术,它具有许多新的特性及功能,将其引入到变形监测领域,探索其在该领域内的应用方法及理论,将具有极其现实的意义。尽管国外已有将该技术应用于构筑物的变形及安全监测的先例,但与其配套的理论和方法仍然欠缺,迄今为止,尚未发现有关论述基于3维激光扫描技术的变形监测的较为系统的文献。鉴于此,本文将对3维激光影像扫描仪的测绘成果的误差成因、误差的影响方式进行综合分析,讨论该项技术在变形监测领域内应用的可行性、技术优势和存在的问题,并提出

基于3维激光影像扫描技术的整体变形监测的基本理论。

二、3维激光影像扫描仪的工作原理

及采样数据的精度分析

地面3维激光影像扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器,采用非接触式高速激光测量方式,以点云的形式获取地形及复杂物体3维表面的阵列式几何图形数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。其工作原理是:扫描仪对目标发射激光,根据激光发射和接受的时间差,计算出相应被测点与扫描仪的距离,再根据水平向和垂直向的步进角距值,即可实时计算出被测点的3维坐标,并将其送入存储设备予以记录储存,经过相应软件的简单处理,即可提供被测对象的3维几何模型。

影响3维激光影像扫描仪采样数据精度的因素较多,主要包括: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等等。这些影响因素直接导致了相应误差的产生,这些误差大体可以分为3种类型:仪器固有的误差、按照一定规律变化的系统误差和偶然误差,对于第2和第3种误差,可以通过一定的方式予以修正,使误差得以消除或削弱,而对于第1种误差,目前尚无有效的消除或削弱措施,但可以通过对比试验来验证它的存在。

在不考虑信号测量误差的影响下,3维激光影

收稿日期:2004-04-14作者简介:罗德安(1968-),男,四川乐至人,博士后,现从事激光雷达的应用及理论研究。

2005年 第7期 测 绘 通 报 41 像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,这是影响其分辨率的主要因素。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。当夹角大到一定程度,仪器将无法获得足够的回波信息,造成测量的失效,这一点也是测量方案设计时必须予以避免的。此外,由于仪器是通过激光的回波信号来测定距离的,对于激光被全反射(基于光滑镜面的非入射光路全反射)和全透射(激光穿越目标,无回波信号或回波信号不能被检测到的情形)情况,会造成距离影像的盲点,这也是测绘时应予以避免或采取适当方式予以补偿的。

测绘成果的最终使用是基于3维对象模型的,如前所述,模型的精度远高于单点的精度,所以,在数据采集时,采取适当的作业方式(如增大数据分块间的重叠度),能有效提高模型的拼接精度,从而达到提高模型精度的目的。

测的需要,这个精度范围对高层建筑的沉降观测、山体滑坡变形监测及局部区域的地表沉降监测等变形监测来说,都是可以接受的精度。

3维激光扫描仪能提供视场内的、有效测程内的、基于一定采样间距的采样点3维坐标,并具有较高的测量精度和极高的数据采集效率。与基于全站仪或GPS的变形监测相比,其数据采集效率较高,且采样点数要多得多,形成了一个基于3维数据点的离散3维模型数据场,这能有效避免以往基于变形监测点数据的应力应变分析结果中所带有的局部性和片面性(即以点代面的分析方法的局限性);与基于近景摄影测量的变形监测相比,尽管它无法像近景摄影那样能形成基于光线的连续3维模型数据场,但它比近景摄影具有更高的工作效率,并且其后续数据处理也更为容易,能快速准确地生成监测对象的3维数据模型。这些技术优势决定了3维激光影像扫描技术在变形监测领域将有着广阔的应用前景。和传统的光学影像测量技术(如近景摄影测量)一样,3维激光影像扫描仪数据采集时前后景物的相互遮蔽情况仍然存在,这是在数据采集和数据处理中都必须予以重视并解决的问题。此外,现有的基于变形监测点的变形监测模式是不适用于基于3维激光扫描仪的变形监测的,由于激光扫描仪采样的非连续性,可能导致设定的变形监测点未能成为激光扫描仪的采样点,从而使得变形监测点失去其应有的作用,为此,探讨与3维激光扫描仪相适应的变形监测理论及数据处理方法就显得非常迫切了。

三、基于3维激光影像扫描技术的变形监

测的可行性、技术优势及存在的问题

变形监测的最大特点是精度要求较高,因此,能否应用3维激光影像扫描技术进行变形监测主要取决于3维激光影像扫描仪的测量精度是否能够达到工程要求。此外,和现有变形监测技术相比,该项技

术是否具备一定的技术优势也是决定其应用范围和层次的重要因素。

3维激光扫描仪的单点定位精度,一般可以达到亚厘米级,其模型精度还要远高于这个精度。加拿大多伦多大学的测量学者曾使用1d的全站仪和加拿大Optech公司的ILTIS-3D激光扫描仪进行过对比试验,试验结果证明了两种测绘方式的测量结果基本没有差别,也就是说,激光扫描仪完全可以用来替代传统的仪器(如高精度的全站仪)进行相应的测量。利用我院购买的加拿大Optech公司的ILTIS-3D激光扫描仪,我们也进行了相应的桥梁变形监测试验,在近距离(100m以下)观测条件下,其模型化点的定位精度优于3mm,这完全可以满足桥梁变形监 四、基于3维激光影像扫描技术的整体

变形监测

在充分分析了3维激光影像扫描仪的数据采集特点之后,我们首次提出了基于3维激光影像扫描技术的整体变形监测概念,拟建立与其相适应的变形监测理论体系及技术体系,相应的研究内容包括:无变形监测点的监测对象数据采集方法研究、监测对象3维模型的建立和模型的匹配、基于3维监测对象模型的变形分析理论及方法研究、监测数据的精度评价体系的建立和模型的精度评定研究等等。这些研究工作的圆满完成,能为3维激光影像扫描技术在变形监测领域内的应用提供所必需的理论支持及技术指导。

这里有必要对有关研究作相应说明。

1.无变形监测点的监测对象数据采集方法研究。鉴于激光扫描仪采样的非连续性,可能导致设定的变形监测点未能成为激光扫描仪的采样点,从 测 绘 通 报 2005年 第7期42

而使得变形监测点失去其应有的作用,我们打算完全摒弃变形监测点,而采用监测对象自身的特征点(对纹理丰富和特征点明显的监测对象)或人工投射的特征信息(对于纹理缺乏或特征点不明显的监测对象,实施人工投射构造光栅影像)来替代变形监测点的作用,并采集相应的数据。

2.监测对象3维模型的建立和模型的匹配。3维激光扫描仪的采样数据包括监测对象的3维点云和同步采集的纹理信息,利用点云信息能够很快构建监测对象的3维数据模型,再加上纹理信息,就能建立研究对象的仿真模型。而变形量的获取可以通过不同时期的两个模型间整体对比(即模型求差)来获取,这里就必然涉及到对模型进行匹配的问题。3.基于3维监测对象模型的变形分析理论及方法研究。变形监测的最终结果是要进行相应的应力及应变分析,这里的分析是基于整体监测对象模型的,和传统的基于变形点的以点代面的分析方式存在较大差异,所以,有必要对基于3维监测对象模型的变形分析理论及方法进行相应研究。

4.监测数据的精度评价体系的建立和模型的精度评定研究。要建立一个完整的理论及技术体系,除了应具备一套完善的理论及方法外,还应建立相关的成果评价体系,具备相关精度指标和置信度的成果才是完整的,这也是相应信息被正确使用的前提条件。

目前我院正在进行的科研项目,相关的研究工作仍在进行中。从初步的研究结果和试验来看,基于3维激光影像扫描技术的变形监测较其他变形监测技术手段(如全站仪、精密水准仪、GPS和近景摄影等)在数据采集的效率、模型的数据精度、监测工作的难易程度、数据处理的速度和数据分析(相应的应力应变分析)的准确性等方面都具有较为明显的优势。随着仪器价格的逐步降低,3维激光影像扫描技术将广泛应用于构筑物的形变监测和安全监测领域。

参考文献:

[1] LOVELLJL,JUPPDLB,CULVENORDS,etal.Using

AirborneandGround-basedRangingLidartoMeasureCanopyStructureinAustralianForests[J].Can.J.RemoteSensing,2003,29,(5):607-622.

[2] JUPPDLB,STRAHLERAH,WOODCOCKCE.Autocor-relationandRegularizationinDigitalImages.II.SimpleIm-ageModels[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRe-moteSensing,1989,27:247-258.

[3] 高 山.I-SITE3D激光成像系统在矿山勘测工程中的

应用研究[J].科技进步与对策,2003,(S0):294.[4] 周 翔.CYRAX)))激光扫描的3维时代[J].电子质

量(自动化与仪器仪表卷),2001,(9):31-35.

[5] 荣国栋,孟祥旭.Inspeck3D-DF3维扫描仪在数字博物

馆中的应用[J].计算机工程与应用,2002,(6):237-240.[6] 郑德华,雷伟光.地面3维激光影像扫描测量技术[J].

铁路航测,2003,(2):26-28.

[7] 刘 毅.地面沉降研究的新进展与面临的新问题[J].

地学前缘,2001,8(2):273-278.

五、结束语

基于3维激光影像扫描技术的整体变形监测是

5城市规划管理信息系统的动态构建6出版

5城市规划管理信息系统的动态构建6(孙毅中著)一书近日由测绘出版社出版。该书在分析国内外城市规划管理信息系统(UPMIS)发展动态的基础上,融入作者多年从事城市规划管理和信息化建设的科研成果,提出以定制技术和软件复用方法为支撑的动态构建研究,较全面系统地阐述了UPMIS动态构建的原理、方法和实现途径,重点介绍将业务流和系统集成方法引入UPGIS建设,形成一套基于定制理念的系统设计框架和开发流程。该书提出UPMIS动态构建,并从概念、方法和实现3个层次提出了具体的解决方案,从而为此类系统设计与实现提供了一种新的思维与方法,这样可以极大地提高相同领域多个类似系统的研究开发效率。系统的设计与方法已经在常州市规划管理信息系统开发,拉萨市、宜兴市、丽水市规划管理信息系统构建实践中得到验证,具有广泛的实际应用价值。全书共分7章,重点介绍UPMIS动态构建的理论、技术、方法和应用。主要内容包括:UPMIS静态与动态结构分析及模型建立,UPMIS工作流(业务流、图形流、控制流)同步流转及角色模型构建,UPMIS领域分析、领域模型和框架建立,UPMIS对象模型映射与存储,UPMIS软件复用与定制方法。该书内容新颖,结构合理,深入浅出,实用性强。书后还附录有关城市规划管理信息系统的名词术语30余条,名词英汉对照。该书可供城市规划与管理专业人员,地理信息系统研究、设计和相关软件的开发人员及大专院校有关专业的师生阅读参考。(金 君)