硕士学位论文—基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究

学号分类号P23密级无UDC（DDC）528硕士学位论文基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究苏磊指导教师姓名：郑德华副教授河海大学地球科学与工程学院申请学位级别：工学硕士专业名称：摄影测量与遥感论文提交日期：年5月论文答辩日期：年6月3日学位授予单位和日期：河海大学答辩委员会主席：李浩教授论文评阅人：李明峰教授岳东杰教授年月中国·南京分类号（中图法）P23UDC（DDC）528密级无论文作者姓名苏磊学号0830421034单位河海大学论文中文题名基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究论文中文副题名无论文英文题名TheResearchonBridgeMonitoringMethodBasedon3DLaserScanning论文英文副题名Non论文语种汉论文摘要语种汉、英论文页数73论文字数7.3(万)论文主题词三维激光扫描技术、桥梁、点云数据、变形监测、曲面拟合、ICP配准申请学位级别硕士专业名称摄影测量与遥感研究方向三维激光扫描数据处理指导教师姓名郑德华副教授导师单位河海大学地球科学与工程学院论文答辩日期2013年6月3日TheResearchonBridgeMonitoringMethodBasedon3DLaserScanningDissertationSubmittedtoHohaiUniversityInFulfillmentoftheRequirementFortheDegreeofMasterofEngineeringBySuLei(SchoolofEarthSciencesandEngineering)DissertationSupervisor:AssociateProfessorZhengDeHuaJune.2011NanjingP.R.China学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者（签名）：年月日学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权河海大学研究生院办理。论文作者（签名）：年月日摘要I摘要近几年，三维激光扫描技术的进步日新月异，三维激光扫描仪已经成为重要的测量工具，目前它已广泛应用于医学、文物保护、土木工程、计算机视觉以及交通规划等重要领域。随着三维激光扫描仪生产技术和配套数据处理软件的日渐发展成熟，使用三维激光扫描系统对建筑物、边坡和矿区等进行变形监测对于安全预测、生产指导都具有重要意义。本文针对桥梁变形监测，应用三维激光扫描技术展开研究，主要内容如下：(1)回顾了近几年三维激光扫描技术在数据处理和变形监测应用方面研究现状，提出了本文的研究内容和技术路线。(2)介绍了地面三维激光扫描系统分类，列出了主要三维激光扫描仪的性能指标参数；阐述了三维激光扫描系统脉冲测距法(TOF)、干涉法和三角法的三种测量原理；详细介绍了实验仪器TrimbleGXTM三维激光扫描系统的组成、软件功能及支持的数据格式。(3)详细分析了影响点云精度的主要因素，探讨了扫描距离、扫描角度、目标反射体表面粗糙程度、边缘效应、激光光束、外界环境等方面对点云数据精度的影响，提出了获取高质量数据点云的方法。(4)设计了使用地面三维激光扫描仪对桥梁进行变形监测的方案，给出了点云数据获取步骤；通过编程并结合RealWorksSurvey三维激光扫描数据处理软件实现了桥梁的点云去噪、特征点坐标转换以及点云配准。(5)研究了利用曲面拟合方法分析桥梁沉降，实验表明该方法可以较好的反映出桥梁在顺桥向和横桥向的不均匀沉降以及表面相对形态变化；编程实现了ICP配准算法，并通过将两期扫描数据进行配准提取变形量，实验表明该方法可以精确地提取桥梁表面微小变形。关键词：三维激光扫描技术；桥梁；点云数据；变形监测；曲面拟合；ICP配准算法；AbstractIIAbstractInrecentyears,theprogressofthe3Dlaserscanningtechnologyischangingwitheachpassingday.3DLaserScannerisacrucialmeasurementtoolintheGeodesyandEngineeringsurveying,anditisappliedwidelyinthefieldsofmedicine、culturalrelicprotection、civilengineering、computervisionandtrafficplanningetc.Asthetechnologyof3Dlaserscannerproducingandthesoftwareofdataprocessingdevelopedmatureincreasingly,usingthesystemof3Dlaserscanningtodeformationmonitoringforthebuildings、sideslopeanddiggingsisveryimportantforthesafepredictionandproductionguidance.Inthispaper,weusethetechniquesof3Dlaserscanninginthedeformationmonitoringofbridge.Themainresearchcontentofthedissertationincludes:(1)Therecentbackgroundsinthewaysofdataprocessinganddeformationmonitoringapplicationsof3Dlaserscanningtechniquesarereviewedindetail,thenproposesthemainresearchcontentandtechnicalroute.(2)Theclassificationofterrestriallaserscanningsystemareintroduced;someofimportant3Dlaserscanner’sperformanceindexparametersarelisted;Thefundamentalofthreetypesoftypical3DlaserscannersbasedtheTimeofFlightrangefinder、interferometryandlasertriangulationareintroducedinthedissertation;TheexperimentinstrumentwhichisaboutTrimbleGXTM3dlaserscanningsystemisintroducedincludingcomposition、softwarefunctionandsupportdataformats.(3)Themaininfluencefactorsofpointcloudaccuracyaredetailedanalysis,suchasscanningdistance、angle、targetreflectorsurfaceroughness、edgeeffects、laserbeamandexternalenvironmentetcarediscussed,andthenamethodtoimproveaccessdataqualityisproposedinthedissertation.(4)Theschemeofbridgedeformationmonitoringisdesignedwhichishowtouseterrestrial3Dlaserscanningsystem,andthestepsofgetpointclouddataacquisitionisgiven.Thepointclouddenoising、coordinatetransformationoffeaturepointsandpointcloudregistrationarerealizedthroughtheprogrammingandRealWorksSurvey.(5)Thebridgesubsidenceisanalyzedbythemethodoffittingofsurface,theexperimentresultsshowthat:themathodcanbettertoreflecttheunevensettlementandsurfacerelativechangeofthebridges;TheICPregistrationalgorithmisrealizedbyprogrammingandthenthesurfacedeformationisextractedbytheregistrationoftwostagescanningdata.Theexperimentresultsshowthatthismethodcanaccuratelyextractsurfacetinydeformationofthebridge.Keywords：3Dlaserscanningtechnology;bridge;pointclouddata;deformationmonitoring;surfacefitting;ICPregistrationalgorithm;目录III目录摘要..............................................................................................................................IABSTRACT.................................................................................................................II目录...........................................................................................................................III第一章绪论.................................................................................................................11.1课题研究背景及意义............................................................................................................11.2国内外研究现状....................................................................................................................21.2.1国外研究现状.................................................................................................................31