本文是大地测量学与测量工程专业工程硕士论文，主要研究三维激光扫描技术在隧道工程监测中的应用。

第1章绪论

1.1选题背景与意义

1.1.1大型工程变形监测方法及发展状况

变形是自然界普遍存在的一种现象⑴。它是指工程在施工和运营过程中，由于地质条件的不同，水文情况的变化以及受到荷载和外力的作用，使形变体的大小、位置、形状等在时间上和空间上发生变化。变形监测是大型工程施工期间及日后运营不可或缺的一项工作，是指用专门的测量仪器和方法定期或者实时观测形变体的形变情况。大型工程建筑物在其施工和运营期间，都会产生一定的形变，当这种形变在安全限差值内时认为是正常现象，如果一旦超过了安全限差值就会扰乱其正常工作甚至造成灾难。近年来，随着人类的进步和现代工业化建设的飞速发展，大型建筑工程愈来愈来多而且建筑物的结构和造型也愈来愈复杂。由于受到重力荷载等因素的影响，会使建筑物发生形变，甚至会引发灾害事故。因此，大型的工程项目的安全问题已成为被关注的重点。导致大型建筑物变形的原因很多，主要由于自然条件的变化与大型建筑物自身的荷载大小、结构类型、地理因素、人为破坏等影响可能对一些大型工程的安全性和稳定性造成严重的影响。所以无论是正在建设中的还是已经建好的工程都要对其进行长期监测，以便于能及时掌握建筑物的形变值及其变化的规律，一旦大型工程有异常情况就能快速进行防治或者补救。从而可以保证大型工程的安全，因此对大型工程进行变形监测相当有必要。现代科学技术的不断发展对变形监测工作产生了深远影响。现在变形监测主要致力于高精度、高效率、低成本并且朝着现代监测技术方面发展。传统的变形监测是采用经韩仪、水准仪、全站仪、GPS接收机等传统的测量仪器测定待定点的变形值，但由于现在大型建筑物的复杂程度逐渐提高，给传统的变形监测方法带来了巨大的挑战。导致其工作量迅速增大，不容易实现自动化监测。现今，三维激光扫描技术的兴起，使原来的数据获取方式有所改变，由面式扫描的数据获取方式逐渐代替了传统的单点测量数据获取方式，极大地提高了数据获取的效率、拓宽了采集范围，使得变形监测工作变得轻松、高效。这是测量技术发展历程中的一次伟大变革。

1.1.2三维激光扫描技术与传统监测技术的对比

传统的水准仪、全站仪、GPS接收机都采用的是单点式数据釆集模式。虽然其监测精度较高，但需在被测处放置特定装置，测量工作量大、成本高、效率低。而且在地形复杂地区测量难度较大，不能确保人员的安全。摄影测量方法获取的是区域的影像数据，数据量虽然大，但其精度较低。相比之下，采用三维激光扫描仪进行数据采集时在被测处不用放置特定的测量装置，实现了点对面的数据采集模式。克服了传统数据釆集方法中速度慢、人力要求高等缺点，具有测量速度快、人力要求低、可靠性强等优点。并且可以对测量人员不能直接到达的地方进行扫描工作，相对于传统的数据釆集方法具有作业周期快，容易操作，测量覆盖范围广等优点，是快速获取被测体数据更为有效的途径。如下所示为三种测量技术之间的对比。

1.1.3三维激光扫描技术在大型工程变形监测中旳应用

三维激光扫描技术是测绘领域又一次向自动化迈进的代表，其测绘数据的获取方法、处理方式都有了新的突破。它正逐步代替传统的测量模式应用于测绘领域，具有无接触、适应性好、效率高等优势。现在的大型工程项目的建设越来越复杂，变形监测从工程的施工到运营维护都占有十分重要的地位。变形监测的主要目的是要获取目标物在不同时间段的相对变化，变化越大代表形变越大，三维激光扫描技术则为变形监测领域注入了新的血液。它拥有多项先进技术，和常规的二维技术相比有其独特的优势，可直接获取扫描目标物体表面的三维坐标。主要优点实现了无合作目标高精确度测量，数据的自动无线传输并可以点云的方式获得整个观测物的表面空间信息，通过对点云数据的分析可以得到建筑工程的变形情况，其变形分析方法也有很大的改进，将传统的固定单点分析拓展为整体分析。如此能更好地获取建筑工程的变形信息。所以三维激光扫描技术在大型工程的变形监测方面有着非常重要的作用。

第2章三维激光扫描点云数据预处理

连接扫描仪和电脑，导出点云文件，采用LeicaCyclone 6.0软件进行点云拼接。拼接方法有三种：第一种是基于控制点文件的点云拼接[15]。第二种是基于标紀点的点云拼接。第三种是基于公共特征点的点云拼接。由于工程监测的需要，一般优先选用第一种拼接方案以满足监测精度的需要。也可在第二种拼接方案的基础上联合控制点文件进行拼接。第三种拼接方案是基于人工拾取的方法上实现，这样会引入视觉误差等，对后续的监测分析十分不利。三维激光扫描仪获取的数据量十分庞大，但其中有些点对监测分析并不起作用，甚至会起到反面效果。如果使用所有数据，就会放大误差的范围。如点云中有跃出扫描设定范围的点、不属于监测对象本身的点。另外激光束在传播过程中可能发生离散效应，离散后，接收器会接受很多杂乱光束。这些反射光束会造成很多噪声点，这种噪声点在监测对象边缘十分明显[14，15]。这些点的存在，使得结果中保留了大量的冗余数据，影响监测分析的精度和效率，因此就需要在数据分析前去除这些冗余数据。如下所示，为某工程点云配准、剔除冗余数据后的效果图。

第3章三维激光扫描隧道超欠挖计算........... 29

3.1隧道中心线文件组织与管理......... 29

3.1.1平曲线设计数据组织与管理......... 29

3.1.2竖曲线设计数据组织与管理......... 30

3.1.3断面设计数据组织与管理......... 30

3.2隧道横断面提取......... 31

3.3超欠挖计算 .........36

3.3.1超欠挖面积计算......... 36

3.3.2 土方量计算......... 37

3.4本章小结 .........37

第4章三维激光扫描隧道变形分析......... 38

4.1隧道变形分析与工程应用......... 38

4.1.1隧道变形分析方法......... 38

4.1.2工程实例分析 .........38

4.2隧道三维模型重建与可视化分析......... 43

4.3本章小结 .........44

第5章隧道工程三维激光扫描数据处理......... 45

5.1需求分析......... 45

5.2系统的设计......... 45

5.3系统的实现......... 46

5.4系统设计功能特点......... 46

5.5系统运行主要界面......... 47

结论

本文对三维激光扫描技术从外业技术至内业数据分析方法做了较为详细的研究。具体取得了如下成果：

1、点云数据预处理方面：针对点云数据处理过程中坐标系不统一的问题，提出了基于公共控制点的坐标系统归化方法，该方法根据多个控制点进行平差计算，减少了坐标系归化过程中的精度损失。在断面截取过程中，引入了基于斜率收敛的隧道断面截取方法，实现了由斜率限差的迭代计算来控制中心线的拟合精度。在点云压缩过程中，把加权分层的点云压缩方法与八叉树分割的点云压缩方法进行了对比，并证明了基于加权分层的点云压缩方法更适用于隧道等长大线型工程的点云数据压缩。

2、拟合方法及精度方面：针对險道断面为圆形的特例，在断面拟合过程中引入了顾及三个坐标方向的最小二乘平面拟合方法和稳健的空间球壳拟合方法，得到了隧道断面的数学方程。在拟合过程中均进行了噪声点的副除，降低了噪声点对拟合效果的干扰，从而使得断面的半径拟合中误差均小于8毫米。

3、点云的切割厚度方面：针对中等密度的点云数据进行了断面厚度测试研究。通过1毫米至9毫米的厚度切片对比分析发现，在直线型且断面呈圆或圆拱形的險道收敛变形分析过程中，应把点云切片厚度至少控制在8毫米以内，以保证分析收敛变形时的精度需求。

4、断面收敛变形分析方面：研究了整体收敛变形分析方法和局部收敛变形分析方法，并通过对盐水沟險道的实测数据进行分析，分别计算了两期数据中相同断面的半径差值，其中断面的半径拟合中误差均在（3.94-7.24)毫米内，根据误差传播定律可知直径的拟合中误差是半径中误差的倍，其变化区间在（5.57-10.23)毫米内，而盐水沟隧道允许的管径测量中误差为3毫米。说明隧道断面的拟合精度尚不能满足监测需求，运用三维激光扫描技术进行隧道断面的收敛变形监测还有待进一步的研究。

5、最后基于VC++开发平台，研制了集点云数据预处理、后处理和模型演示为一体的險道工程三维激光扫描数据处理原型系统，并应用实测数据验证了该系统的可靠性。

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