硕士学位论文基于三维激光扫描的桥梁监测方法研究申请学位级别：工学硕士专业名称：摄影测量与遥感论文提交日期：2011年5 月论文答辩日期：2011年6月3日学位授予单位和日期：河海大学2011年6月2011年6月中国·南京分类号（中图法）P23 U D C（DDC）528 密级无论文作者姓名学号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The Research on Bridge Monitoring Method Based on3D Laser Scanning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2011年6月3日The Research on Bridge Monitoring Method Based on 3D Laser ScanningDissertation Submitted toHohai UniversityIn Fulfillment of the RequirementFor the Degree ofMaster of EngineeringBySu Lei(School of Earth Sciences and Engineering) Dissertation Supervisor: Associate Professor Zheng De Hua June.2011 Nanjing P.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Trimble GX TM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RealWorks Survey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；AbstractIn recent years, the progress of the 3D laser scanning technology is changing with each passing day.3D Laser Scanner is a crucial measurement tool in the Geodesy and Engineering surveying, and it is applied widely in the fields of medicine、cultural relic protection、civil engineering、computer vision and traffic planning etc. As the technology of 3D laser scanner producing and the software of data processing developed mature increasingly, using the system of 3D laser scanning to deformation monitoring for the buildings、side slope and diggings is very important for the safe prediction and production guidance. In this paper, we use the techniques of 3D laser scanning in the deformation monitoring of bridge. The main research content of the dissertation includes:(1) The recent backgrounds in the ways of data processing and deformation monitoring applications of 3D laser scanning techniques are reviewed in detail, then proposes the main research content and technical route.(2) The classification of terrestrial laser scanning system are introduced ; some of important 3D laser scanner’s performance index parameters are listed; The fundamental of three types of typical 3D laser scanners based the Time of Flight range finder、interferometry and laser triangulation are introduced in the dissertation; The experiment instrument which is about Trimble GX TM3d laser scanning system is introduced including composition、software function and support data formats.(3) The main influence factors of point cloud accuracy are detailed analysis, such as scanning distance、angle、target reflector surface roughness、edge effects、laser beam and external environment etc are discussed, and then a method to improve access data quality is proposed in the dissertation.(4) The scheme of bridge deformation monitoring is designed which is how to use terrestrial 3D laser scanning system, and the steps of get point cloud data acquisition is given. The point cloud denoising、coordinate transformation of feature points and point cloud registration are realized through the programming and RealWorks Survey.(5) The bridge subsidence is analyzed by the method of fitting of surface, the experiment results show that: the mathod can better to reflect the uneven settlement and surface relative change of the bridges; The ICP registration algorithm is realized by programming and then the surface deformation is extracted by the registration of two stage scanning data. The experiment results show that this method can accurately extract surface tiny deformation of the bridge.Key words：3D laser scanning technology; bridge; point cloud data; deformation monitoring; surface fitting; ICP registration algorithm;目录摘要 (I)ABSTRACT ................................................................................................................. I I 目录 (III)第一章绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (3)1.2.2 国内研究现状 (5)1.2.3 当前研究的不足 (7)1.3本文主要研究内容及技术路线 (7)1.3.1 本文研究内容 (7)1.3.2 本文技术路线 (8)1.4论文组织结构 (10)第二章三维激光扫描系统及影响点云精度因素分析 (11)2.1地面三维激光扫描系统分类及性能指标 (11)2.1.1 地面三维激光扫描系统分类 (11)2.1.2 地面三维激光扫描仪性能指标 (13)2.2地面三维激光扫描系统原理 (14)2.2.1 三维激光扫描系统的组成 (14)2.2.2 地面三维激光扫描系统原理 (15)2.3实验仪器介绍 (18)2.3.1 Trimble GX TM三维激光扫描系统介绍 (18)2.3.2 Trimble GX TM三维激光扫描系统软件 (19)2.3.3 Trimble GX TM三维激光扫描数据格式 (21)2.4影响点云精度因素分析 (21)2.4.1 测量距离和角度影响 (22)2.4.2 点云厚度与亮度影响 (22)2.4.3 目标物体反射表面粗糙程度的影响 (23)2.4.4 边缘效应 (24)2.4.5 激光光束不均匀 (25)2.4.6 外界环境的影响 (26)2.5实验结果分析 (27)2.6本章小结 (32)第三章桥梁监测方案设计与数据预处理研究 (33)3.1桥梁变形监测方案设计 (33)3.1.1 变形监测方案流程 (33)3.1.2 点云数据获取步骤 (35)3.2桥梁变形监测数据预处理 (36)3.2.1 点云数据去噪 (36)3.2.2 特征点坐标转换 (37)3.2.3 点云数据配准 (42)3.3实验结果分析 (44)3.4本章小结 (48)第四章基于点云的桥梁变形分析方法研究 (49)4.1基于曲面拟合的桥梁变形研究 (49)4.1.1 平面以及二次曲面拟合 (49)4.1.2 基于曲面拟合的变形分析方法 (53)4.1.3 实验结果分析 (54)4.2基于ICP配准算法的桥梁变形提取 (56)4.2.1 ICP配准算法原理 (56)4.2.2 基于ICP算法的变形量提取步骤 (57)4.2.3 ICP配准精度指标 (60)4.2.4 变形量距离阈值判定 (60)4.2.5 实验结果分析 (61)4.3本章小结 (64)第五章结论与展望 (65)5.1结论 (65)5.2展望 (65)参考文献 (67)致谢 (72)附录 (1)第一章绪论第一章绪论1.1 课题研究背景及意义随着我国综合国力的不断提高和科技水平的日益飞跃，我国的桥梁建设也到了一个迅猛发展的阶段。