基于三维激光扫描仪的地形变化监测

　　1　引　　言

　　三维激光扫描仪可以快速地以毫米级采样间隔获取实体表面点的三维坐标并以“点云”数据形式存储到计算机中。它快速建立目标的三维模型并提取线、面、体等制图数据,实现“实景复制”。传统的单点数据采集方式得以改变。对露天矿、大坝和建筑物的传统变形监测方法,如:安装应力应变传感器、用测绘仪器(全站仪、GPS等)测量等,由于采样点少,很难反映变形的全部特征,且耗时费钱。而三维激光扫描仪可以弥补传统方法的不足。

　　2　Cyrax三维激光扫描系统工作原理

　　Cyrax三维激光扫描系统由三维激光扫描仪和配套软件组成。仪器内部有激光器和旋转轴互相正交的两个反光镜。窄束激光脉冲在反光镜作用下,沿纵、横向依次扫过被测区域。物体漫反射的部分激光能量被三维激光扫描仪接收。测量激光脉冲从发出到返回仪器所经过的时间,可以计算出仪器和物体间的距离S;同时测量每个激光脉冲与仪器固有坐标系X轴的夹角α,XOY面的夹角θ(如图1所示),可以由公式(1)算出被测物体表面点的三维坐标。根据扫描点的激光反射强度,给反射点匹配颜色。扫描点绘制在屏幕上,组成密集的“点云”。用Cyclone软件在点云图内直接完成物体长度、直径等几何量的测量及概念设计。

　　3　Cyrax三维激光扫描系统应用

　　3.1　扫描、三维建模和后续处理

　　安装三维激光扫描仪和控制标靶,连接扫描仪和计算机,用Cyclone软件在仪器拍摄的照片上选择扫描区域,设置扫描分辨率,对物体各侧面进行扫描。通过Cyclone软件的坐标匹配功能,将所有点云数据“拼合”成完整的点云模型。剔除干扰点云,通过分步框选点云和自动拟合,最终完成整个扫描对象的建模。对模型进行渲染、照明和贴图。生成断面图、投影图、等值线图等。以AutoCAD和MicroStation等格式输出数据。

　　3.2　应用领域

　　三维地面景观测量,逆向工程,古建筑结构测量,地形测图,高精度数字地面模型的建立,工程改扩建,体积计算,电影特技、变形监测等。

　　4　三维激光扫描系统用于变形监测

　　采用三维激光扫描仪对某露天矿的高陡边坡进行变形监测。需要解决的难题是:布设测站和控制标靶;统一各次扫描的坐标系统;提取变形信息;变形监测误差的估算;变形数据显示等。

　　4.1　变形监测方案

　　仪器安装在变形体附近。控制标靶是拼合各次扫描点云的基准点,也是网格坐标与仪器内部坐标的转换媒介,其位置必须保持稳定。

　　由于点云数据极其密集,靠视力很难分辨一个点的变形情况,故采用如下方法提取变形信息。