基于eps2008三维激光扫描技术在隧道工程测量中的应用研究大学毕业论文.doc

《高等应用测量》（论文）基于EPS2008三维激光扫描技术在隧道工程中的应用研究 学院：土木工程学院专业：道路与铁道工程班级：研1503班姓名：王俊学号：0215260 目录摘要...............................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II第一章绪论.........................................................................................................11.1选题背景与意义..........................................................................................11.2本文研究内容和研究思路..........................................................................5第二章三维激光扫描技术理论基础............................................................92.1三维激光扫描仪介绍..................................................................................92.2基本工作原理...........................................................................................102.3三维激光扫描误差来源及精度分析........................................................132.3.1仪器误差..................................................................................................132.3.2与被测物体反射面物理特性有关的误差..............................................142.3.3外界环境条件的影响..............................................................................152.4本章小结....................................................................................................15第三章隧道点云配准研究.............................................................................173.1点云配准基本原理.....................................................................................173.1.1点云配准定义..........................................................................................173.1.2点云配准分类..........................................................................................173.1.3点云坐标转换模型..................................................................................213.1.4点云配准结果精度分析..........................................................................223.2隧道点云配准研究.....................................................................................233.2.1扫描分辨率的优化..................................................................................233.2.2测站间距的优化......................................................................................233.2.3标靶布设方法的优化..............................................................................243.2.4结合全站仪使用三维扫描仪..................................................................26第四章总结与结论...........................................................................................28参考文献.............................................................................................................30IV IV 摘要近些年来，三维激光扫描技术不断发展，已经广泛的应用到各行各业中。随着轨道交通项目的建设，越来越多的隧道工程项目开工。隧道工程中需要进行断面测量，超欠挖和开挖量测量计算，过去经常使用的仪器为断面仪，全站仪，这些方法效率低下，需要大量的时间和人力。将三维激光扫描仪技术运用到隧道工程中，对隧道进行扫描并建立三维模型，其精确度和效率都很有大幅度提升。本文从三维激光扫描仪在隧道工程中的应用出发，主要研究了隧道测量中点云的配准问题和工程应用。（1）研究分析了扫描仪扫描前的校验方法；针对隧道三维测量中影响扫描作业精度的主要因素,提出了减少扫描误差的措施，研究提出了隧道三维扫描测站布置优化方法；同时还分析了洞室环境、天气等因素对隧道三维扫描进度的影响等。（2）研究了三维激光扫描方法如何在隧道等狭小空间和施工期洞室复杂环境中提高点云数据的配准精度的方法，设计了8种点云配准方案，并逐一进行计算，验证了基于全局控制的配准方法在点云配准中的优越性。（3）给出了三维激光扫描技术应用于隧道工程中的技术方案，结合具体工程建立了三维模型图、断面图,计算了断面超挖量、欠挖量和开挖量，验证了三维激光扫描仪的隧道工程测量中是可行的。关键词：隧道三维激光扫描；点云配准；超欠挖计算IV AbstractInrecentyears,withthedevelopmentof3Dlaserscanningtechnology,ithasbeenwidelyusedinallwalksoflife.Withtheconstructionofrailtransitproject,moreandmoretunnelprojectisstarted.Forcrosssectionmeasurementandoverbreakintunnelengineeringandexcavatedvolumemeasurementcalculationisveryimportant,Inthepastprofiler,totalstationoftenisoftenused,buttheyneedalotoftimeandmanpower.Apply3Dlaserscannertechnologyintotunnelengineeringandconstructathreedimensionalmodel,theaccuracyandefficiencyaregreatlyascend.Basedontheapplicationof3dlaserscannerintunnelengineering,Thisarticlemainlystudiedtheproblemsoftunnelmeasuringpointcloudregistration.(1)Studiedandanalyzedthecalibrationmethodofscanningbeforework;Accordingtothetunnelthree-dimensionalmeasuringmainfactoraffectedtheaccuracyofscanningoperation,putsforwardthemeasurestoreducetheerrorofscanning,tostudyandputforwardthetunnel3Dscanningstationlayoutoptimizationmethod;Alsoanalyzedtheinfluenceofcavityenvironment,weatherandotherfactorsto3Dscanningprogress.(2)Studiesthemethodofenhancingtheregistrationprecisionofclouddatainworkspacesuchasintunnelnarrowspaceandinthecomplexenvironmentduringtheconstruction.Eightkindsofpointcloudregistrationschemeisdesigned,andonebyonetocalculateToverifytheregistrationmethodbasedonglobalcontrolsuperiorityinpointcloudregistration.(3)Putforwardthetechnologysolutionsofthe3Dlaserscanningtechnologyappliedintunnelengineering.Combinedwithspecificengineeringthree-dimensionalmodeldiagramisestablished,andthequantityofoverbreak,owetodig,excavatedvolumeiscalculatedtoVerifythetunnelengineeringof3Dlaserscannermeasurementisfeasible.Keywords:3Dlaserscanningoftunnel;Pointcloudregistration;Overbreakcalculation;IV 第一章绪论三维激光扫描技术在这些年得到了快速发展，三维激光扫描仪作为一种测量工具，其作用越来越显著。很多领域中，三维激光扫描技术都在发挥着重要的作用。比如隧道三维呈现、建筑监测、文物古迹的修复保存等领域。三维激光扫描具有诸多优点，比如高精度、快速性、点云数据量大，正因为这些优点让人们能够有效、快捷、精确地对大物体、宽场景进行测量，获取三维数据模型。随着现代化的建设，隧道工程建设在我国蓬勃发展。隧道地质条件恶劣、施工环境复杂，相较于传统测量方法，三维激光扫描技术提供了一种更快速、更安全、更有效的地质调查、测量、监测方法。三维激光扫描仪能够在极其复杂的空间场景中工作，通过对空间进行精细的扫描，将获取的大量的三维激光点云数据汇于电脑中，再通过软件快速地对各种非标准、不规则的大型实体进行三维模型构建。传统的测绘技术为单点式，而三维激光扫描主要为高精度三维建模与重构。想要把目标区域完整准确的描述出来，这就需要扫描大量的的点云数据。通过大量的点云数据即可建立精确的三维模型，从而精确的描述目标区域的特性，满足工程需要。同时，三维激光扫描技术相比于传统测量方法，采集的数据量更多，采集的数据特征点更加全面，采集速度也更快。另外，三维激光扫描仪对工作环境的要求相对于传统测量方法更低，能够在复杂的环境中进行精细的数据采集，然后将采集到的大量点云数据汇于电脑之中，能够快速的实现各种不规则的、非标准的大型实体的三维模型构建。另外三维激光扫描仪还可以通过扫描获取线、面、体等各种数据。可以对大量的点云数据进行多种后处理比如计量、分析、模拟、测绘、监测、仿真、展示、虚拟现实等。-18- 三维激光扫描的时候，一方面在对目标区域扫描的时候，数据量相当庞大，同时也含有大量的无用信息，另一方面由于扫描仪器自身原因和环境因素等原因，在扫描的同时会产生很多噪音，这些都不利于三维模型的建立。三维激光扫描仪已经广泛的使用在各个领域，同时也对获取更高质有效的点云数据提出了更高的要求。现在对点云数据的研究基本从两方面进行，一方面就是批量化处理点云数据,，另一方面就是如何减小误差。由于没有可靠地生产规范和理论技术，所以获得的数据的质量通常得不到较好的控制。也因为没有较好的技术和算法使得后期海量的点云数据无法进行批量化智能化处理。所以，对于研究三维激光扫描技术，从实验方案出发，研究如何在隧道等狭小空间和复杂环境中提高点云数据的配准，减少点云误差具有很强的现实意义。1.2本文研究内容和研究思路目前，三维激光扫描仪在各行各领域都有着广泛的应用，但在实际应用过程中仍存在不少问题。本文针对三维激光扫描仪应用到隧道中点云配准的精度问题进行了深入研究，提出了隧道中点云配准合理的布站方法和配准方案，并通过实验进行了验证。并利用三维扫描仪的配套软件，得到了在隧道中进行测量的初步成果。全文的总体结构如下：第l章主要介绍了国内外研究进展，然后对激光扫描仪目前三方面的研究现状进行了总结，第一方面是三维激光扫描仪的精度校验研究和作业方法的研究；第二方面是点云配准方面的研究；第三方面是隧道中三维激光扫描仪的应用在目前的情况下的研究情况。同时对本文的研究内容、文章总体结构进行了介绍。第2章主要介绍了本文进行实验所使用的三维激光扫描仪以及三维激光扫描仪的组成部分，以及其进行工作基本原理。同时对三维激光扫描仪误差来源进行了分析，其中内业误差主要为点云配准和数据处理方面的误差，外业扫描工作的误差主要分为三方面：第一方面是仪器自身的误差；第二方面是测量目标反射面相关的误差；第三方面是外界环境引起的误差。第3章对隧道中点云配准进行了研究。首先介绍了点云配准的基本原理，其中包括点云配准的分类、点云配准常用的坐标转换公式，以及对配准结果进行精度分析的方法。针对隧道狭长结构，传统点云配准误差较大这一情况，从扫描分辨率，测站间距和标靶布设方法三方面进行了分析和优化。提出了使用采用全站仪对扫描数据和标靶进行绝对定位的方法，首先使用扫描仪对目标体和标靶进行分站扫描，获得点云数据，同时使用扫描仪获取每站靶标精确坐标，将各站获得的坐标通过坐标转换转换到同一坐标系下，然后将此坐标和全站仪测量的绝对坐标进行对比，从来分析其精度。通过进行隧道配准实验，并设计多种配准方案，实验结果证明基于全局控制的隧道配准方案的精度要高于无控制的隧道配准方案。-18- 第二章三维激光扫描技术理论基础2.1三维激光扫描仪介绍在本文的试验中，所使用的扫描仪为RieglLMS—Z420i型三维激光成像扫描仪。主要组成部分为：三维激光扫描仪、升降台、旋转平台、GPS定位装置、数码相机、应用软件以及其他附件。三维激光扫描仪反射激光的主要方式为：当扫描仪启动之后，扫描仪内部装置激光脉冲二极管发射出激光脉冲，然后激光脉冲往外发射的时候，通过一个旋转棱镜，借此激光脉冲可以不同角度的射向物体。激光脉冲到达物体表面之后会反射回来，然后扫描仪内部的探测器装置会进行接收并保存。多棱镜的旋转速度快慢是决定三维激光扫描速度的主要因素。激光束的垂直偏转角一般是一个多面体来进行控制，这个多面体含有多个反射表面，通过不同的反射表面进行控制。三维激光扫描仪专门有一个装置进行倾角调节，让其能够方便的进行不同倾角的测量，比如仰视和俯视情况，通过调节可以让扫描仪的角度进行适应测量要求的改变。另外，这款设备在任何情况下都是安全的，因为它所采的用的是激光技术是符合(ClassI，IEC608251)激光标准的基于距离数字采集IIDAR光传输时间测量方法。在软件的支持下，三维摸型进行纹理的精确迭加之后，三维激光扫描的分辨率可以高达毫米量级，能够适应工程需要。速度快、效率高、分辨率高、稳定性高，正是这些因素使得扫描仪的应用越来越广泛。通过软件，三维激光扫描仪能够快速度建立详尽精细的三维模型。为了进一步提高扫描速度，有时可以对扫描仪进行改装，将其装载在车上面，形成车载式三维激光扫描仪。这样就能够对大型空间进行短时间的快速的数据采集，提高采集效率。RieglLMS—Z420i三维激光扫描仪主要性能指标为：(1)激光安全级别：Class1；(2)激光波长(nm)：近红外线波长(1550nm)；(3)光斑直径：0.25mrad；(4)功率：12～28VDC，大约5.6A@15VDC；-18- (5)平均数据采集速度：每秒大约8000点；(6)角分辨率：0.0025°；(7)测角精度：0.0020；(8)测距精度：4mm-10mm(一次精度扫描)；±5mm(多次精度扫描，平均精度)；(9)反射率范围(％)：最低为3％，最高为100％；(10)测量范围：当反射率为0.8，能够达到800m；当反射率为0.2，能够达到200m；(11)扫描范围：水平360度全景扫描；80度垂直方向；(12)扫描分辨率：0.01°。2.2基本工作原理一个完整的三维激光扫描系统一般由四部分组成：数据采集用的激光扫描仪、进行扫描操作控制和后期进行数据处理的计算机、保证扫描仪的计算机正常运行的电源供应系统和扫描仪一起的支架系统等。激光扫描仪系统的构成主要有两大部分，一部分是激光测距系统，另一重要部分是核心部分既激光扫描系统。扫描仪进行工作时，激光脉冲发射体发出的激光脉冲，通过两个高速旋转的同步反射镜，逐步经过扫描目标区域，打到目标体之后，激光原路返回，然后通过计算激光从发射到返回的时间来确定扫描仪到扫描目标的距离，在这工作过程中，扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光发出的角度，通过角度和距离就可以计算出激光点在目标物体上的三维坐标。激光测距系统和激光扫描系统的主要类型如下：（1）激光测距系统经过几十年的快速发展，现今激光测距技术已基本成熟。根据激光测距的原理，主要分为三种：脉冲测距法、激光三角法和基于相位的测距法。在实际工程应用中使用最广泛的是脉冲测距法。1）脉冲测距法TOF-18- 脉冲测距法TOF是一种高速激光测时测距技术。脉冲测距法的工作过程为以下四个方面：1、发射激光束，2、收集返回的激光，3、对时间进行估计，4、测量时间延迟。2）激光三角法激光三角法将立体相机和结构化光源得到两条光信息，然后构建立体投影关系。3）干涉测距法干涉测距法就是利用激光光线的连续波发射，根据光线干涉原理确定干涉相位的测量方法。（2）激光扫描系统三维激光扫描系统主要有三方面的技术要求，第一要求能够拥有大范围的扫描幅度；第二要求能够进行高精度的小扫描间隔；第三要求是能够进行高帧频成像。线扫描模式、纤维扫描、圆锥扫描模式是目前扫描常用的三种模式。激光扫描系统进行数据扫描主要要获取以下数据：1）竖直方向角θ和水平方向角α，这两个角是反射激光的反射镜的角度值；2）扫描目标和扫描仪之间的距离S，这就是根据激光传播的进行计算。3）扫描电点的反射强度I。在后期的计算中，扫描目标的三维坐标值主要依靠1）2）中的值来计算获得。反射强度主要是为了后期给予扫描目标填涂颜色，也有人用反射强度对建筑物里面进行了提取。扫描仪工作过程中，每一站进行采集的时候是使用的该站的内部坐标系统。这个坐标系统如图2-3所示，其主要构成为以坐标原点在仪器中心，X轴在水平扫描面内，Y轴在水平扫描面内与X轴垂直，Z轴与水平扫描面垂直。任意扫描点的三维坐标可以根据公式2.1快速计算出。而当进行多站式扫描工作时，每一个获取的点云数据，就需要根据公共点计算出的坐标转换矩阵进行转换，最终都转换到同一个坐标系中。公式2.1中，S由激光脉冲从发射到接收之间的时间间隔计算求得，设发射脉冲往返时间间隔为t，脉冲的速度为光速C，因此目标点与仪器中心的距离S=1/2C⋅t。-18- 2.3三维激光扫描误差来源及精度分析当今的测量技术和方法都存在一定的误差，只要测量结果是符合相应工程的精度要求就可判定测量结果是有效的。如果使用的测量方法或者测量仪器不能够满足相应工程的精度要求，那么这项测量工作是无效的。三维激光扫描技术作为一种新型的测量技术同其他测量技术一样，也存在各种各样的误差，比如仪器误差、测量误差、数据处理误差等等，如何尽最大可能的减小这些误差都在探索过程中，至今还未有通用的、成熟的评价体系和方法体系。影响三维激光扫描精度的因素有很多，隧道三维激光扫描技术的误差来源有外业误差和内业误差，其中内业误差主要为点云配准和数据处理方面的误差，外业扫描工作的误差主要分为三方面：第一方面是仪器自身的误差；第二方面是测量目标反射面相关的误差；第三方面是外界环境引起的误差。正是这些内部因素和外部因素导致了相应误差的产生，目前尚无有效措施消除或削弱仪器的固有误差，但是可以通过一定的方法减小扫描过程中的系统误差和偶然误差。2.3.1仪器误差（1)测距误差产生误差原因：镜面之间进行旋转，因为扫描系统工作时，要通过镜面进行旋转然后将激光束发送到物体表面。（2)测角误差产生原因：轴系之间的相互旋转。（3)人为误差产生原因：扫描工作过程中，要人工控制激光扫描仪的绝对定位。扫描仪获取的数据的精度同时也受测站点和后视点定位定向的精度的影响，比如扫描仪整平对中操作中就会有这一误差的产生。（4)相机的标定误差产生原因：扫描系统外置或内置的相机存在校对误差。-18- （5)仪器连接误差产生原因：仪器之间各种外置设备进行连接，这些连接会影响最终点云数据的精度，使之降低。以上仪器误差对仪器的分辨率、距离测量精度、角度测量精度、边缘效应反射特性、激光光斑等产生影响，从而将会给三维激光扫描仪扫描成果带来误差。2.3.2与被测物体反射面物理特性有关的误差目标的反射激光能量直接影响着激光测距的准确性。在任何情况下，物体反射特性直接影响着反射信号的强度。激光测距的系统性偏差大小受物体表面反射特性的影响。一般情况下，物体的反射特性的影响因素为物体的材质、表面粗糙度和表面色彩等。（1）目标反射表面粗糙程度的影响隧道表面粗糙度的噪音主要有以下两方面：一方面系统性噪音，是由较大规模表面起伏特性和岩石结构决定的。另一方面是随机噪音，是由岩石类型、开挖质量和岩石挖掘方法等决定的。这两种噪音都是不可避免的，若岩石表面异常(即锚杆，钢丝网等)，那隧道该位置变化幅度会很大。噪音处理得的结果会影响断面的正确分析。普遍来说一般的随机噪声最大值为厘米级，但隧道地表系统的波动可以达到米级。散射光斑的光强分布和形状受被测表面的粗糙度和光泽影响。若目标表面较为粗糙时，激光在此处只产生漫反射，而当表面比较光滑时，在产生漫反射的同时容易产生镜面反射，而这镜面反射的光强经常容易造成较大的测量误差和易产生测量预警。实验表明，粗糙度在0.4-3.0μm范围内的被测表面基本不影响测量精度；在大于这个粗糙度的被测表面，则应该对表面进行预处理或者考虑数据补偿。（2）目标反射面倾斜的影响目标反射面倾斜会造成激光脚点位的偏差，这主要是因为激光光束入射的方向无法和物体表面的切面法线重合引起的，返回的激光光束被不完全接收，对测距和测角都会有影响。入射角受反射面倾斜而变化，距离测量和返回信号均会带来误差。这个问题的解决方案是从扫描的角度出发，提高测量精度必须使扫描仪和目标成一角度，该角度范围一般在40度到50度最佳。-18- （3）被测物体材质和颜色等物理特性的影响苏黎世高等工业学院用扫描仪在室内以不同材料、颜色和形状的目标为对象进行距离测量，然后将测量结构和已知标准距离进行对比进行精度评定。从实验结果得知，对于不同的入射角、不同的材料，不用的距离，距离测量的精度变化很大，小则几毫米，大则数十毫米。对此的解决措施就是在实际工程应用时要合理选择被测目标的颜色、材质等物理特性。就目前来看，木板、金属或表面处理过得油泥模型表面为国内外最常用的被测物体。三维激光扫描仪发出的是红色激光，而不同的物体表面颜色不一样，不同颜色的表面对红光的吸收程度是不一样的，在其他扫描因素都相同的情况下，测量结果的变化是会受到物体表面颜色变化的影响。2.3.3外界环境条件的影响（1）气压、温度、磁场等外界环境条件的影响易产生伪扫描点三维激光扫描仪同其它测距仪器一样，也会受到受到气压和的温度等影响。恶劣的外界环境，直接影响着数据采集的准确性，条件越恶劣，采集质量越低。外界环境中的诸多因素都会影响着扫描结果：温度方面，扫描仪要进行正常的数据采集工作需要有适宜的温度，如果温度太低，扫描仪无法启动；风方面，由于扫描仪是精密仪器，风的吹动会造成扫描仪的轻微震动而引起扫描误差等。在扫描的过程中，还经常会有很多伪扫描点。所谓伪扫描点是被扫描物体中不存在的扫描点。这些点属于干扰点，在采集的时候不应该采集，采集到后在后期数据处理的过程中应将其删掉。伪扫描点的产生受多种因素的影响，比如反射面、大气条件、辐射干扰、扫描仪的非模糊区间和边缘效应等。水汽和尘埃一方面产生激光散射，另一方面产生不必要的返回信号，因此会产生噪音和虚假点。因此，扫描仪进行工作时要选择良好气象条件、选择稳定的测量位置以及使用稳定的支架设备，通过这些来减小外界环境引起的误差。（2）多义性间距多义性间距在相位式激光扫描仪有规定，超过此距离返回的相位差是模糊歧义的。当对超过了规定的距离进行扫描时，对超出部分的点，扫描仪会认为其是扫描仪附近的点。比方说，多义性间距是60m的扫描仪，进行扫描62m之后的地方，返回来的点会被认为是距离扫描仪2m的点进行存储。-18- （3）隧道内障碍物的遮挡在隧道环境下进行激光扫描，各种随机因素太多。一方面，车辆、作业工人、开挖隧道等流动设备会不时地对遮挡隧道断面局部。另一方面，通风管道、输送系统等固定设备可能遮挡边墙或顶板的信息，使得激光扫描仪无法获得全面的数据。-18- 第三章隧道点云配准研究3.1点云配准基本原理3.1.1点云配准定义配准是医学诊疗、计算机视觉、GIS、逆向工程、工业检测等领域重要的研究课题之一，是指将不同传感器、不同时间或者不同视点的情况下采集的数据转换至统一坐标系下的过程。隧道中点云配准是指各站独立进行数据采集，采集过程中采用的是各站自身的坐标系，采集数据接收后，将各站的坐标系转到相同坐标系下，然后将相邻两次测得数据进行配准，以便于后期的三维模型建立。因为三维激光扫描中，目标范围较大，有时候物体间存在遮蔽，而激光扫描仪也存在扫描距离限制和视场角限制，所以扫描时只能获取当前站点下的点云数据，即每一站的点云坐标都相对于当前仪器坐标系而言。想要获得完整的扫描区域，就要设置不同的站点扫描目标，然后重新定位各个站点下扫描的点云，然后最后变为统一坐标系下的三维数据点集。点云配准的精度直接影响着对后续的点云数据处理和三维建模的精度，要获得隧道精确的三维模型，就要解决好隧道中点云的配准问题。目前，关于点云配准方法依据的原理有：（1）投影变换：将直线映射为直线；（2）刚性变换：主要为平移和旋转；（3）曲线变换：将直线映射为曲线（4）仿射变换：主要将平行线映射为平行线；由于扫描的点云数据不存在放缩和扭曲，因此，点云数据的配准只涉及到刚体变换中的旋转和平移。3.1.2点云配准分类20世纪80年代Faugeras带领其团队为最早利用3D数据进行自由形状配准研究的，随着三维激光扫描技术的不断发展和三维激光扫描仪应用的越来越广泛,此后人们针对点云配准问题做了大量的研究工作。关于配准的方法，目前根据不同的分类标准会有多种多样，主要的配准分类方法如下：-18- (1)从配准的过程也就是特征搜索空间的不同可以分为局部配准和全局配准。局部配准主要用在两组点云不满足包含关系时，利用局部点云特征进行搜索匹配。全局配准一般用的较多，全局配准时使用大部分甚至全部点的信息，也就是说，模型的全局特征在全局配准时被利用。由于模型的全局特征的使用，其优点是配准结果将更为准确，但其缺点是会降低算法的效率。(2)从点云数据采集方式上可以分为基于公共重叠区域的点云配准和基于同名控制点的点云配准。基于公共重叠区域的点云配准基本不采用标靶，而是通过一定的算法对点云直接配准。比如常见的ICP算法是通过将同名点选为公共区域内最近的点，然后进行寻找进行匹配。而基于同名控制点的点云配准一般使用的是特制标靶，将靶心作为同名点，然后根据配准算法，将所有点云变换到到一个坐标系下。坐标转换可以在扫描仪不同位置坐标系下变换，也可以在全站仪、扫描仪、GPS等坐标系之间进行变换。(3)从配准的精度可以分为粗配准和精配准。粗配准主要确定两个点云集中的对应特征，然后来解算出点云间的初始变换参数；在粗配准的基础上，精配准进一步获取最佳变换参数，从而完成点云配准。(4)从配准变换参数和解算的方法可以分为奇异值分解法、四元素法、遗传算法、最小二乘法等。(5)从配准参数解算使用的目标函数分为点到对应切面距离最小和点到点距离最小等。(6)从配准时采用的配准有基于标靶的配准和不基于标靶的配准，不基于标靶的配准中一般是配准时直接使用原始数据，比如常见的迭代最近点法。基于标靶的配准一般是在配准时选取特征点、线、体、面边缘特性等作为特征进行配准。基于反射片的配准在一定程度上是基于特征点配准的方法，通过点云中点与点的坐标对应关系来进行点云配准。-18- 反射片，又称反射体，在三维激光扫描中作为一种标定物，其表面由高反射率材料，并且已知其几何尺寸。常使用的反射片如图3.1。反射片的主要目的是多个点云进行配准的时候，其作为公共点以便进行点云配准。也通过反射片进行坐标系之间的转换。在三维激光扫描作业时，大部分的数据采集的过程中包含了反射片的扫描，此时理所应当可以用反射片进行配准。而更多地时候，一些扫描工作中，由于扫描目标表面没有特征，没法利用表面特征进行点云配准，此时，如果既想快速的进行配准，又想配准的数据是稳定并且精确的，这时候就必须引入反射片，通过反射片实现点云之间的配准。反射片的主要目的是作为一种特征，为配准提供公共点，更加方便的进行转换矩阵的计算，从而进行坐标系的转换。考虑到反射片直接影响到点云配准精度和后期的点云处理，本章主要对基于反射片点云的配准进行了研究。3.1.3点云坐标转换模型隧道为狭长结构，三维激光扫描仪无法仅用一站扫描获取整个隧道的点云，因为扫描仪自身存在精度要求和扫描视角限制，所以道扫描工作要进行多站扫描，这就要求首先对隧道进行分站扫描，获取每一站的点云数据，同时使用全站仪和扫描仪测得每站反射片坐标，然后计算出转换矩阵，然后通过坐标转换关系的扫描数据整合到同一坐标系中进行点云配准，获得完整的隧道点云。在点云数据处理过程中，主要存在3个坐标系。（1）统一坐标系：坐标向量定义为(X,Y,Z)。（2）扫描仪内部坐标系：坐标向量定义为（x,y,z）。（3）绝对坐标系：如国家坐标系或地方独立坐标系。三维激光扫描仪在进行扫描工作时，经常要进行坐标系之间的转换。一方面通过坐标系的转换来实现坐标数据的统一，另一方面通过坐标系转换可以实现和其他坐标系的数据进行对比，从而进行误差分析。在隧道进行点云配准时，经常用到的是扫描仪内部的坐标系和统一坐标系的转换关系。因为在扫描工作时，要进行分站扫描，每一站扫描获取的数据是在每一站自身的坐标系下完成的，这样最后的数据不是统一的，就无法进行整体的建模分析，这时候就需要把每一站的坐标系都转换到同一个统一坐标系中，这样每站的数据坐标通过坐标转换关系就转换到统一坐标系下的坐标，就可以进行配准，也可以进行误差的分析。另外有时候，工程中会使用其他坐标系，比如国家坐标系或是地方坐标系，想要分析扫描成果的好坏，就要将扫描仪内部坐标系向绝对坐标系进行转换，然后进行比较。-18- 在进行扫描工作时，本文采取的做法是点云配准时采用的特征为标靶，首先使用全站仪实测发射片坐标（X,Y,Z），得到反射片在统一控制网坐标系下的坐标。然后扫描仪坐标系找到反射片对应的坐标（x,y,z），利用反射片两套坐标求取变换参数，将每一测站的点云扫描仪内部坐标经过变换参数转换到同一个统一控制网坐标系中，获取所有点云在控制网坐标系下的坐标。由摄影测量原理可知，坐标转换不考虑模型缩放因子，共需要六个参数，三个坐标平移量ΔX、ΔY、ΔZ、三个角度转换量ϕ、ω、κ，如下式所示。进行转换时至少需要3个同名点，大部分情况下会进行多余观测，所以每站至少存在四个反射片。通过最小二乘法原理平差求解。3.2隧道点云配准研究隧道是结构为狭长状，既窄又长，想要完成整条隧道的扫描工作就需要沿隧道轴线方向依次布设多个测站。数据采集的关键参数为扫描分辨率和测站间距，其取值直接影响着测量效率和测量精度。3.2.1标靶布设方法的优化在隧道里面进行三维激光扫描作业，往往是需要进行多站式扫描，将各个站获得的三维点云数据配准成一个整体就是点云配准。每个站在进行测量的时候，使用的是自己这个站的坐标系，所以点云配准最主要的是要进行坐标转换，将各个站使用的各自的坐标系转换到同一个坐标系中。点云配准现在常用的是无反射片的配准和有反射片的配准，因为隧道环境复杂，表面特征不明显，而无反射片配准又需要有较多的重合区域，会降低测量效率，另外配准质量和精度也不高。所以针对隧道的特殊复杂环境情况，使用反射片进行配准是比较理想的。RIEGL扫描仪进行测量是用的反射片，一方面可以作为Tiepoint，即公共点，将不同的站点的电云进行配准，另一方面就是可以作为Controlpoint，即控制点，可通过使用全站仪测量出反射片的坐标并导入到后期的软件Riscan中，这样根据反射片的关系就可建立全局坐标系，就可以解算出点云所有点的三维坐标，并可以将解算出来的未进行配准使用的反射片的三维坐标值和全站仪测得的其三维坐标值进行比较，从而获得不同配准方案下的配准精度。-18- 点云数据的配准精度对后期数据处理有着相当重要的作用，如果点云配准的误差太大，那后面的数据处理工作根本无法进行。在隧道中，图3.4(a)是最常见的标靶布设方案，在相邻测站之间放置反射片，然后配准控制点就是前后站之间重叠区域里面的反射片。通过这样的布置，后一站都连到前一站，最后就是点云从头到尾的配准起来，这种配准方案简单易操作，工作量相对较小，但是其误差也相对较大，每一站的配准存在配准误差然后不断地向后面传递，配准次数越多，配准误解也就越不断积累也就越大。最后全局的配准精度也相对较差。针对上述方案全局误差这一缺陷，托雷于是提出改进的全局配准方法，为多站全局配准方法:在一个测量段的两端布设标靶，并将其作为这测量段里面各个测站进行配准的控制点。如图3.4所示。这种方法主要是一个测量段的两端放置反射片，既作为控制点同时又作为配准点，作为控制点可以对整个测量区段内进行控制，更加合理的进行了整体布局，有利于提高配准精度。另外配准时一个测量区段内设3个测站，只需要进行一次配准就可以将第一站和第三站拼到控制点上，比上面的配准方案少一次配准，因此精度也会有相应提高。3.2.4结合全站仪使用三维扫描仪(1)全站仪简介全站仪是是目前应用最为广泛的测量设备，它的功能十分强大，可以进行测角和测距，并能够自动进行计算以及能进行平差等工作。全站仪主要有三部分组成，自身定位采用的是电子经纬仪，发射激光束采用的是红外测距仪，记录测量数据是采用的专用记录器。全站仪速度和精度都相当的高，因为全站仪只需人工瞄准，全站仪能够自动完成记录、计算、存储功能，这样就减少了人为操作的误差。三维激光扫描仪在扫描工作时只能获取每次测站的坐标系，不能够指定全局坐标系，而全站仪就能够快速测得全局坐标系。此外，全站仪的单点测量精度高于LMSZ420i型三维激光扫描仪，所以使用全站仪对反射片进行测得的坐标，其精度应该高于扫描仪测得的坐标精度，然后进行比对，可以提高测量精度。(2)扫描仪结合全站仪工作原理-18- 全站仪使用方便，在工作中可以快速的根据需要确定全局坐标。另外，扫描时用的反射片为圆形，中间有一个小孔，全站仪测量时很容易找到中心。所有反射片中心点坐标都要用全站仪和扫描仪分别进行测量。如图3.5所示在为某一站进行扫描仪和全站仪进行共同工作的情况。四个反射片的坐标分别使用扫描仪和全站仪进行测量。全站仪进行测量时得到的坐标是使用的自身的坐标系建立的全局坐标系；扫描仪进行扫描时得到的坐标是使用自身的局部坐标系，扫描仪还可将获取的坐标自动存入到由RiscanPro软件建立的工程文件中。全站仪和扫描仪都结束现场工作后，可以将全站仪测量到的全部的反射片的坐标导入到RiscanPro软件的全局坐标系(GLCS)的TPL列表中。RiscanPro软件首先计算反射片之间相互的位置夹角关系和距离关系，然后根据他们在空间中的位置关系确定扫描仪获得的反射片和全站仪获得的反射片的坐标之间的对应关系，两者反射片的坐标之间的对应关系计算出来之后，就可以获得两个坐标系之间的转换矩阵，就可将全部扫描数据的局部坐标系向全局坐标系进行转换。由此可以看出，反射片在坐标转换中的作用是极为重要的。也可从工作原理可以得出，反射片在放置时应尽量不在一条直线、一个平面上，尽量让反射片散开，呈不规则分布。如果图3.5的四个反射片呈角形、正方形分布，又在同一平面，那么软件就无法根据反射片之间的夹角和距离关系区分四个反射片，也就无法进行局部坐标和全局坐标的转换。-18- 第四章结论与展望4.1论文总结本文主要对三维激光扫描仪在隧道工程中的应用进行了研究，总结如下：（1）研究分析了扫描仪扫描前的校验方法；针对隧道三维测量中影响扫描作业精度的主要因素,提出了减少扫描误差的措施，研究提出了隧道三维扫描测站布置优化方法；同时还分析了洞室环境、天气等因素对隧道三维扫描进度的影响等。（2）研究了三维激光扫描方法如何在隧道等狭小空间和施工期洞室复杂环境中提高点云数据的配准精度的方法，设计了8种点云配准方案，并逐一进行计算，验证了基于全局控制的配准方法在点云配准中的优越性。在进行六站的隧道扫描测量中，通过在首中尾分别布设控制点，配准后最大的点位误差可以控制在0.05m之内，其可以满足工程测量需要。结合全站仪进行三维激光扫描作业可以大大提高远处的反射体数据坐标精度，有利于减小误差，从而提高整体拼接进度。使用工程自身控制点坐标，进行全局控制下的点云配准，精度和测量效率会有很大的提高。（3）给出了三维激光扫描技术应用于隧道工程中的技术方案，结合具体工程建立了三维模型图、断面图,计算了断面超挖量、欠挖量和开挖量，验证了三维激光扫描仪的隧道工程测量中是可行的。4.2今后展望三维激光扫描仪在隧道工程中的应用将越来越广泛，但仍有些问题需要进一步解决。（1）对于处于施工期的隧道，洞内施工环境恶劣，如灯光黑暗、能见度不高、温度低、空气中水雾、烟雾及粉尘浓度高等情况，目前国内外的研究情况只进行了定性分析，而未对这些不利因素分别进行量化分析。这些环境中不利的因素分别有多大的影响，需要进一步的研究。-18- （2）目前国际上在衡量配准误差这一方面还未有没有一个统一的标准，扫描的实际过程中，在不同的位置对同一个空间点进行扫描，是不可能完全重合的。所谓的公共点也是存在误差的，只能是近似公共点。基于全局控制的点云配准方法在其精度上有明显的优越性，但是要结合全站仪进行使用，必然会增大工作量，降低效率。当然现在也的激光扫描仪自带全站仪功能，值得在隧道中进行推广应用。本文在进行点云配准的理论分析和实际应用中，只针对设置六站的情况下，未对更多站次进行研究，也未对每站设置多少距离进行研究，之前理论分析的是1-2倍的洞泾，这需要实验进一步的验证。（3）本文使用RieglLMS—Z420i三维激光扫描仪以及其配套三维建模数据处理软件RiscanPro对隧道建立三维模型进行了初步尝试，形成了三维模型图，并将数据导入到CAD中，截取了断面图，并对断面超欠挖情况以及隧道开挖土方量进行了计算。但是扫描后数据量巨大，而且数据结构相对复杂，数据处理时间要远远多于测量的时间。在激光点云数据处理方面，仍有许多问题需进一步解决。-18- 参考文献[1]朱庆海，黄程亮.基于EPS2008及地面三维扫描点云数据进行断面线提取[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.[2]薛素铎，赵均，高向宇.高速铁路隧道竣工测量新技术[M].北京：科学出版社，2012.[3]邹祖银.地面三维激光扫描技术的新研究[M].北京：中国建材工业出版社，2013.[4]徐秀丽.城市轨道交通工程测量[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.[5]闫利.地面三维激光扫描技术点云分辨率研究[M].遥感学报，2008.[6]欧彬.三维激光扫描技术单点定位方法研究[M].海洋测绘，2009.[7]刘旭春.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[M].测绘工程，2008[8]徐秀丽.三维激光扫描技术在水坝中的应用[M].水利水电，2009.[9]肖书安.地面三维激光扫描技术研究[M].武汉：武汉大学，2005.[10]张秀丽.三维激光扫描技术在外业数据采集方法研究[M].测绘与空间地理信息，2009.-18-