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摘要：在民用建筑监测中变形监测至关重要。三维激光扫描仪拥有一定能力去监测一些难以预料的变形，而这种变形是传统测量仪器（如全站仪和水准仪）所不能检测到的。三维激光扫描仪可以提供用于显示单点测量准确性的专门数据表，而且这个数据表可以被用于提高点云数据拟合表面的质量。本文将使用一个程序去检测拟合表面技术所能达到的真实精度。这个程序是使用一个精密马达去驱动一个铝盘，而这个铝盘的转动量可以被大地测量仪器所识别。它的精度可以按马达固有的数值和大地测量仪器提供的数值的差值进行计算。在本实验中，采用Riegl LMS Z3901i型激光扫描仪和徕卡TCR 1102型全站仪进行对比验证。在两次试验中得到了精度相差小于1mm的相似结果。这个试验证明Riegl型激光扫描仪可以检测出小变形，并可以用于民用建筑物变形监测。在单点测量试验中，可以证明激光扫描仪提供的数据精度大约为6mm。
关键词：变形三维激光扫描仪 精度检测
Abstract: Deformation monitoring is critical for the inspection of civil engineering structures. Three-dimensional laser-scanning systems can provide the ability to control unexpected deformations that cannot be monitored with traditional topographic instruments, such as total stations or levels. Technical datasheets provided by laser manufacturers typically give the accuracy of single-point measurements, but these specifications can be improved using surface-fitting of the data points. In this study, a procedure is used to detect the true accuracy that can be achieved using surface-fitting techniques. The procedure uses a precision actuator that moves an aluminium plate whose shift can be measured by the geodetic instrumentation. Accuracy is calculated as the difference between the values given by the actuator and the values from the geodetic instruments. The procedure is tested using a laser scanner, Riegl LMS Z390i and a total station, Leica TCR 1102. Similar results are obtained in both cases and accuracies are less than 1 mm. The results confirm that this Riegl system can be used to detect small deformations and can be applied to monitor civil engineering structures. The single point measurements confirm the data provided by the laser scanner manufacturer with an accuracy of approximately 6 mm.
Keywords: deformationLiDARaccuracydetect
中图分类号：TK01+2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
最近十年，用于测绘的非接触式技术得到了飞速的发展。尤其是三维激光扫描仪和近景摄影测量技术。这两种技术都提供mm级精度的成千上万的覆盖建筑物表面的点云数据。这些技术弥补了传统的测量方法在工民建应用中的不足。从某种意义上说，地面三维激光扫描仪使用方便，获取数据速度快[1]。它可以获取一个物体全部几何模型。在无参考点情况下，可以离散化一个对象[2]。这将使它能够监测到一些难以预料的变形。
激光扫描仪获得的单点精度低于全站仪，仅达到5~10mm的精度[3]；这种精度在监测微小变形时是不足的。然而，需要提及的是它拟合的物体表面的平均精度却很高。有一些学者称模型化后地面三维激光扫描仪点云数据可以获得高于单点坐标精度20倍的精度[4-5]。这种结果与传统测量方法获得精度相当，这也意味着这个系统可以用于工民建变形监测。
在这个实验中，用高精度电子马达作为替代，在野外数据获取之前，运用室内程序去预估变形监测精度。这个程序目的是为仪器选择和仪器校准提供信息支持。结果通过与TCR1102全站仪提供的结果进行对比，这个程序可以用于Riegl LMS Z390i系列地面激光扫描仪检校。
2实验
这个实验程序主要是用于评估激光扫描仪系统精度，他包括三个部分：实验设备、数据获取和数据处理。其中全站仪和激光扫描仪被用于完成几何信息获取，马达驱动装置被用于驱动度盘获得精密位移以模仿小变形。试验中从不同测距进行测量。图1是系统的示意图。
图1 实验安排
实验设备主要包括一个电子马达，它产生标靶平面的高精度变化。精密直角被用于将铝盘固定在马达上，这个铝盘的尺寸为100*100*2mm，可以很轻易被激光扫描仪和全站仪所识别测量。整个系统被固定在一个三脚架上。
在实验中，测距被大致分为10、25和50m三种，对于每种测距的马达替代为0.1、0.3、0.6、1.0、3.0、6.0、10.0、20.0和30.0mm。这些分布最大分辨率为0.1mm（0-1mm），1mm（1-10mm）和不同间隔（10-30mm），运用不同组合再次实验。最终，可以组合成42种不同的组合替代。其中，最大被限制为30.0mm，因为在工民建上发现的最大变形为30.0mm。另外，显而易见超过30.0mm的变形可以很轻易被激光扫描仪所发现。
图2 试验设备
图3Riegl LMS Z-390i型地面激光扫描仪图4徕卡TCR1102型全站仪
3結果和讨论
3.1数据采集
首先设置好三个激光扫描仪的采集点，然后获得全景数据。这种模式目的是找出目标物体在空间的位置。它在1分29秒时间里，以垂直和水平方向角步距0.2度间隔，采集到了713261个点。图5显示了用Riegl LMS Z-390i在全景模式下扫描。
图5 物体表面的点云 图6马达和铝盘的细致点云
随后，采集到了更加细致的点云数据(图6)。在整个测量过程中，步长都保持为0.004度不变。随着步长增加，点云密度会相应的减少。获取数据的时间和数量在1分14秒和大约223000点（10m）到29秒和38000点（50m）之间变化。
同时，全站仪紧挨激光扫描仪而置，对每一个观测点，都由高精度全站仪测得以覆盖铝盘表面。
图7平面之间的距离图8单点到平面的距离
a为激光扫描仪 b为全站仪a为激光扫描仪 b为全站仪
3.2数据处理
在未加工的点云中分割出铝盘上的点云数据。对于图像采用8叉树和2.5倍光栅滤波器进行滤波处理。所有这些处理都用配套软件完成。
马达的变化使用两种不同途径进行估计:首先，确定平面之间距离；然后，确定单点与平面之间距离。为了实现这个目的，采用matlab算法.
运用最小二乘算法，将铝盘上未处理的点云数据拟合平面。同样，对于8叉树和2.5倍光栅滤波后数据，以及全站仪获得数据都进行最小二乘拟合平面。基于马达不同步长所获得的平行平面之间距离，替代值Ls被评估出来。图7a显示了激光扫描仪结果（30mm位移），图7b显示了全站仪结果（30mm位移）.
从圆盘中心区域点云数据中和全站仪测量获得数据中求取任意点精度，可以被用来计算马达位移值。位移值被看做马达在原始位置测量单点到平面的距离。图8显示了20mm位移值时的结果。
图9以10m(a),25m(b),50m(c)为间距的精度
图9显示了精度结果。可以被看做马达转动所提供的和传统仪器运用matlab算法所提供的之差值。
在多次试验中，用激光扫描仪获得单点近似位移数据都在4-5mm之间变化。这也验证了仪器生产厂家提供的在50m范围内6mm的名义精度的准确性。数据变化主要是源于点的任意选取。然而，拟合平面和俩个平行平面之间距离相对于单点改善了结果，并降低了数据偏离度。试验中使用点云的三种情况（未滤波的，八叉树滤波和2.5倍光栅滤波）显示了大致一样的低于1mm的精度。如预期所想，滤波趋向于平滑数据，例如，在图9中，未滤波数据显示了一个20mm的峰值，但是在滤波后数据中却没有出现。另外，在一定范围内，认为其中没有任何联系。尽管全站仪获得数据稍微有点好，但是在拟合平面时，两者很相似。尽管如此，距离测量的结果比全站仪要好。图10显示了每一长度单位与位移和距离的关系（2）。对于所有数据，超过3mm的位移值显示了精度值低于10%，但是对于激光扫描仪提供的单点，其将达到25%。
(2)
整个程序证明了Riegl LMS Z-390i型地面激光扫描仪可以监测出毫米级的微小变形和获得传统测量仪器拥有的精度。因此，这个程序可以被引申为相似的程序在隧道测量、桥梁荷载监测、大坝监测中运用。这个程序的简单性为用户使用三维激光扫描仪时了解其计量特征提供了方便。此外，在用户购买时，这个程序可以提供一些生产商提供的资料清单上没有的潜在功能和在特定处理中的稳定性。
图10以10m(a),25m(b),50m(c)为间距的每一长度单位的精度结果
4结论
三维激光扫描仪已被证实对于监测民用建筑物变形是一项可靠技术，因为高密度的点云数据可以使突发的变形得到监测。在现场使用之前进行实验室内监测试验技术是成熟的。这个试验主要是使用Riegl LMS Z-390i型地面激光扫描仪和徕卡TCR1102型全站仪完成，并使用8叉树和2.5倍光栅算法进行滤波。实验中大部分的精度都小于1mm，这意味着这款仪器可以用于民用建筑的变形监测。这个试验也对激光扫描仪和全站仪获得单点测量数据进行了对比，这与厂家提供的精度相符合。这个程序的重要性就在于它可以使激光扫描仪监测变形的实际技术参数得到检测和提供一些厂商所给的数据表中没有提供的信息。而这个信息可以帮助用户选择合适的仪器系统类别和激光扫描仪是否需要检校。
参考文献
[1]陈云浩等.空间测量与制图[M].北京：北京师范大学出版社，2011:220-244.
[2]齐建伟，范百兴等.三维激光扫描仪球形标靶测量方法与精度评定[J].工程勘察，2011,1:81-84.
[3] Armesto, J., Roca-Pardin˜as, J., Lorenzo, H., Arias, P.:‘Modelingmasonry arches shape using terrestrial laser scanning data and nonparametric methods’, Eng. Struct., 2010, 32, pp. 607–615.
[4]韓友美.车载移动测量系统激光扫描仪和线阵相机的检校技术研究[D].青岛：山东科技大学，2011:26-67.
关键词：变形三维激光扫描仪 精度检测
Abstract: Deformation monitoring is critical for the inspection of civil engineering structures. Three-dimensional laser-scanning systems can provide the ability to control unexpected deformations that cannot be monitored with traditional topographic instruments, such as total stations or levels. Technical datasheets provided by laser manufacturers typically give the accuracy of single-point measurements, but these specifications can be improved using surface-fitting of the data points. In this study, a procedure is used to detect the true accuracy that can be achieved using surface-fitting techniques. The procedure uses a precision actuator that moves an aluminium plate whose shift can be measured by the geodetic instrumentation. Accuracy is calculated as the difference between the values given by the actuator and the values from the geodetic instruments. The procedure is tested using a laser scanner, Riegl LMS Z390i and a total station, Leica TCR 1102. Similar results are obtained in both cases and accuracies are less than 1 mm. The results confirm that this Riegl system can be used to detect small deformations and can be applied to monitor civil engineering structures. The single point measurements confirm the data provided by the laser scanner manufacturer with an accuracy of approximately 6 mm.
Keywords: deformationLiDARaccuracydetect
中图分类号：TK01+2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
最近十年，用于测绘的非接触式技术得到了飞速的发展。尤其是三维激光扫描仪和近景摄影测量技术。这两种技术都提供mm级精度的成千上万的覆盖建筑物表面的点云数据。这些技术弥补了传统的测量方法在工民建应用中的不足。从某种意义上说，地面三维激光扫描仪使用方便，获取数据速度快[1]。它可以获取一个物体全部几何模型。在无参考点情况下，可以离散化一个对象[2]。这将使它能够监测到一些难以预料的变形。
激光扫描仪获得的单点精度低于全站仪，仅达到5~10mm的精度[3]；这种精度在监测微小变形时是不足的。然而，需要提及的是它拟合的物体表面的平均精度却很高。有一些学者称模型化后地面三维激光扫描仪点云数据可以获得高于单点坐标精度20倍的精度[4-5]。这种结果与传统测量方法获得精度相当，这也意味着这个系统可以用于工民建变形监测。
在这个实验中，用高精度电子马达作为替代，在野外数据获取之前，运用室内程序去预估变形监测精度。这个程序目的是为仪器选择和仪器校准提供信息支持。结果通过与TCR1102全站仪提供的结果进行对比，这个程序可以用于Riegl LMS Z390i系列地面激光扫描仪检校。
2实验
这个实验程序主要是用于评估激光扫描仪系统精度，他包括三个部分：实验设备、数据获取和数据处理。其中全站仪和激光扫描仪被用于完成几何信息获取，马达驱动装置被用于驱动度盘获得精密位移以模仿小变形。试验中从不同测距进行测量。图1是系统的示意图。
图1 实验安排
实验设备主要包括一个电子马达，它产生标靶平面的高精度变化。精密直角被用于将铝盘固定在马达上，这个铝盘的尺寸为100*100*2mm，可以很轻易被激光扫描仪和全站仪所识别测量。整个系统被固定在一个三脚架上。
在实验中，测距被大致分为10、25和50m三种，对于每种测距的马达替代为0.1、0.3、0.6、1.0、3.0、6.0、10.0、20.0和30.0mm。这些分布最大分辨率为0.1mm（0-1mm），1mm（1-10mm）和不同间隔（10-30mm），运用不同组合再次实验。最终，可以组合成42种不同的组合替代。其中，最大被限制为30.0mm，因为在工民建上发现的最大变形为30.0mm。另外，显而易见超过30.0mm的变形可以很轻易被激光扫描仪所发现。
图2 试验设备
图3Riegl LMS Z-390i型地面激光扫描仪图4徕卡TCR1102型全站仪
3結果和讨论
3.1数据采集
首先设置好三个激光扫描仪的采集点，然后获得全景数据。这种模式目的是找出目标物体在空间的位置。它在1分29秒时间里，以垂直和水平方向角步距0.2度间隔，采集到了713261个点。图5显示了用Riegl LMS Z-390i在全景模式下扫描。
图5 物体表面的点云 图6马达和铝盘的细致点云
随后，采集到了更加细致的点云数据(图6)。在整个测量过程中，步长都保持为0.004度不变。随着步长增加，点云密度会相应的减少。获取数据的时间和数量在1分14秒和大约223000点（10m）到29秒和38000点（50m）之间变化。
同时，全站仪紧挨激光扫描仪而置，对每一个观测点，都由高精度全站仪测得以覆盖铝盘表面。
图7平面之间的距离图8单点到平面的距离
a为激光扫描仪 b为全站仪a为激光扫描仪 b为全站仪
3.2数据处理
在未加工的点云中分割出铝盘上的点云数据。对于图像采用8叉树和2.5倍光栅滤波器进行滤波处理。所有这些处理都用配套软件完成。
马达的变化使用两种不同途径进行估计:首先，确定平面之间距离；然后，确定单点与平面之间距离。为了实现这个目的，采用matlab算法.
运用最小二乘算法，将铝盘上未处理的点云数据拟合平面。同样，对于8叉树和2.5倍光栅滤波后数据，以及全站仪获得数据都进行最小二乘拟合平面。基于马达不同步长所获得的平行平面之间距离，替代值Ls被评估出来。图7a显示了激光扫描仪结果（30mm位移），图7b显示了全站仪结果（30mm位移）.
从圆盘中心区域点云数据中和全站仪测量获得数据中求取任意点精度，可以被用来计算马达位移值。位移值被看做马达在原始位置测量单点到平面的距离。图8显示了20mm位移值时的结果。
图9以10m(a),25m(b),50m(c)为间距的精度
图9显示了精度结果。可以被看做马达转动所提供的和传统仪器运用matlab算法所提供的之差值。
在多次试验中，用激光扫描仪获得单点近似位移数据都在4-5mm之间变化。这也验证了仪器生产厂家提供的在50m范围内6mm的名义精度的准确性。数据变化主要是源于点的任意选取。然而，拟合平面和俩个平行平面之间距离相对于单点改善了结果，并降低了数据偏离度。试验中使用点云的三种情况（未滤波的，八叉树滤波和2.5倍光栅滤波）显示了大致一样的低于1mm的精度。如预期所想，滤波趋向于平滑数据，例如，在图9中，未滤波数据显示了一个20mm的峰值，但是在滤波后数据中却没有出现。另外，在一定范围内，认为其中没有任何联系。尽管全站仪获得数据稍微有点好，但是在拟合平面时，两者很相似。尽管如此，距离测量的结果比全站仪要好。图10显示了每一长度单位与位移和距离的关系（2）。对于所有数据，超过3mm的位移值显示了精度值低于10%，但是对于激光扫描仪提供的单点，其将达到25%。
(2)
整个程序证明了Riegl LMS Z-390i型地面激光扫描仪可以监测出毫米级的微小变形和获得传统测量仪器拥有的精度。因此，这个程序可以被引申为相似的程序在隧道测量、桥梁荷载监测、大坝监测中运用。这个程序的简单性为用户使用三维激光扫描仪时了解其计量特征提供了方便。此外，在用户购买时，这个程序可以提供一些生产商提供的资料清单上没有的潜在功能和在特定处理中的稳定性。
图10以10m(a),25m(b),50m(c)为间距的每一长度单位的精度结果
4结论
三维激光扫描仪已被证实对于监测民用建筑物变形是一项可靠技术，因为高密度的点云数据可以使突发的变形得到监测。在现场使用之前进行实验室内监测试验技术是成熟的。这个试验主要是使用Riegl LMS Z-390i型地面激光扫描仪和徕卡TCR1102型全站仪完成，并使用8叉树和2.5倍光栅算法进行滤波。实验中大部分的精度都小于1mm，这意味着这款仪器可以用于民用建筑的变形监测。这个试验也对激光扫描仪和全站仪获得单点测量数据进行了对比，这与厂家提供的精度相符合。这个程序的重要性就在于它可以使激光扫描仪监测变形的实际技术参数得到检测和提供一些厂商所给的数据表中没有提供的信息。而这个信息可以帮助用户选择合适的仪器系统类别和激光扫描仪是否需要检校。
参考文献
[1]陈云浩等.空间测量与制图[M].北京：北京师范大学出版社，2011:220-244.
[2]齐建伟，范百兴等.三维激光扫描仪球形标靶测量方法与精度评定[J].工程勘察，2011,1:81-84.
[3] Armesto, J., Roca-Pardin˜as, J., Lorenzo, H., Arias, P.:‘Modelingmasonry arches shape using terrestrial laser scanning data and nonparametric methods’, Eng. Struct., 2010, 32, pp. 607–615.
[4]韓友美.车载移动测量系统激光扫描仪和线阵相机的检校技术研究[D].青岛：山东科技大学，2011:26-67.