2024年3月29日发(作者：fireworks)

三维激光扫描测量技术在变形监测中的

应用

摘要：伴随着国内科技的持续进步，激光扫描硬件设备一直在完善和优化，

不同于其他设备，三维激光扫描仪集成性能优异，数据的采集速度很快，能够根

据实际需要实施数据的处理，继而形成三维模型。在变形监测项目中应用三维模

型极具价值，得到的结果详细且准确。所以，文章针对近些年来关于三维激光扫

描测量技术在变形监测中的应用进行阐述，希望可以为国内变形监测项目的发展

提供些许参考。

关键词：三维激光；扫描测量；技术；变形监测

1 地面三维激光扫描测量技术概述

1.1三维激光扫描测量技术的测量原理

想要让三维激光扫描测量技术发挥出对应的价值及优势，需要重点将其原理

加以判断，结合具体的运用方向进行分析，确保相应的技术展示出最大优势。三

维激光扫描测量技术主要囊括有下述几个关键设备：首先就是三维激光扫描仪，

其最大的作用就是可以对测量距离进行实时的把控，并根据实际需求一步步促使

激光瞄准正确的方向并进行旋转扫描，对于出现的方位偏差实时有效地调整。其

次就是系统软件，最后就是需要电源以及一些辅助的设备。具体来说，三维激光

扫描测量技术借助水平方位偏转控制器以及对应的高度角偏转控制器科学控制反

射棱镜的实际转动，使得由激光测距系统发射的激光能够顺着不同的坐标轴实施

移动并慢慢扫描测量。随后借助测得的三维扫描仪中心到目标点的斜距、激光束

水平方向偏转角和竖直方向偏转角来校准并计算激光脚点的实际三维坐标。全部

目标物信息数据收集完成后，还需要将这些数据按照文件夹上传到所需点云，最

后以这些点云来描述所需的目标采样结果。

1.2 地面三维激光扫描技术的程序和特点

三维激光扫描技术主要通过高速激光扫描测量的方法，对需要扫描的对象进

行测量，然后大面积高分辨率的快速获取被测对象表面的三维坐标数据，并且测

出测量对象的反射率以及颜色等信息。然后将这些信息传输到计算机等设备中进

行具体的分析和整理，从而复制出 1∶1 的真彩色三维点云模型。该模型中包含

着测量对象的各种信息，能够在很大程度上满足测量工作的需要，为后续的业务

处理和数据分析等活动都提供了足够数量并且十分精准的数据。而且通过三维激

光技术进行测量，还具有快速性、效益高、不接触性、穿透性、动态、主动性、

高密度、高精度、数字化、自动化和实时性强等优势。

2测量误差

测量误差的引发因素有很多。最常见的就是下述四种。首先就是测距出现的

位移偏差。现阶段最常用到的激光测距手段主要为脉冲测距法以及相位测距法。

使用前者进行测距时一定要注意仪器内部也就是石英钟的计时误差，由于激光往

返速度很快，计时的频率往往要求很高，为此，一定要严格控制计时的准确性。

使用后者来进行测距时则应当关注调制激光束的电磁波频率误差。其次就是测角

时出现的角度偏移误差。测角囊括有竖直角以及水平方向的测量。而由于角度的

不同，扫描镜的位置旋转难以固定，这就使得一些细微的角度无法被监测到，继

而出现非均匀转动误差。再者就是与目标物质自身特性相关联的误差。众所周知，

激光束指向目标表面之后，由于不同目标物质的大小和形状差异，对于仪器回收

的信息会产生严重的干扰，这就使得测距结果准确性无法保证。加上不同物体构

成材料的差异性，目标物质实际的倾斜角度等，激光的强度以及实际方向时常变

化，所以，在具体应用过程中，应重点关注二者形成的夹角大小，在符合要求的

基准上慢慢降低夹角大小。

3三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用方法

3.1 标靶标志法

在研究相应的区域时，应该重视多个稳定且均匀分布的标靶，通过发挥出三

维激光扫描仪的作用，实现对不同时段研究区的情况分析，在后续处理的过程中，

需要将标靶分辨出来的中心坐标加以提取，判断不同时段标靶中心坐标的实际变

化情况，由此分析出对应的变形信息。在运用该类手段时，往往是类似于设置监

测点的方式，通过将点水平位移情况加以分析，更好地提升实际应用成效。对比

于传统的监测手段，此方法的精度更加理想，但是难以将三维激光扫描技术的优

势之处充分体现出来。实际运用技术手段时，必须要结合使用对象加以分析，只

有选择的使用方式得当，才可在最大程度上展示出基本效力，促使着三维激光扫

描测量技术优势显现到位。

3.2 DEM 求差法

此种方式在实际运用的过程中，更适合运用在地表变形监测环节。其借助于

相应的扫描仪在不同时段进行研究，分析出区域的基本情况，将两次或者是多次

的点云数据经过一定的处理之后，构建起科学合理的数字高程模型，确保不同时

段 DEM 统一坐标系统得以建立，进行对比相减，获取整个区域对应任意坐标的

下沉值。考虑到不同时段点云数据建立的 DEM 存在着明显差异，为了对比相同

水平坐标点高程变化，应该将初始数据当做重点的参考，之后将 DEM 进行内插

计算，也就是将某坐标相邻点的高程加权平均值当做该点高程。当研究一些点的

水平位移时，为将地表水平移动的规律进行分析，往往会与传统手段联合运用，

通过这样的方式提高基本的实效性。如下图所示：

3.3 模型求差法

此类方法运用的过程中，一般会运用至建筑物以及隧道等空间物体的变形监

测中，其可以展示出一定的作用成果，还能结合具体的项目情况全面分析，保证

分析的结果符合实际。

3.3.1 点云数据获取

首先，为了获得更为完整的数据，应当安排测量人员提前进行测量区域的点

位筛选，即在测量区域内找到一个信号稳定性最好的点位作为测量基准点，并按

照需求设置好控制网。安装扫描仪之后，三维坐标的控制点必须提前录入系统，

随后进行扫描参数的优化，以基准点为基础实施单个测站的数据采集。保证不同

测站之间的时间在合理的范围内，并将扫描仪以最快的速度运输到下一个站位上，

直到整个数据收集完毕，再立刻将数据录入系统中并实施处理。

3.3.2 点云数据预处理

随着国内建筑物的建造规模越来越大，所得到的点云数据量也不断增加，这

就使得所得到的点云数据不够准确，所以，一定要优先使用预处理方式来去除一

些不可靠的数据。其一般囊括有下述几个步骤，即点云数据配准、滤波平滑、数

据缩减以及所需的三维建模等。值得注意的是，在具体应用期间，必须要学会按

照实际需求来找到相匹配的方式。

结语

在现代社会的发展过程中，由于城市化发展和社会进步的需要，测量技术的

重要性与日俱增，地面三维激光测量技术作为现代社会测量技术的重要组成，相

较于其他技术来说具有很强的优势，需要相关人员加强对其的重视程度。但是作

为新兴的测量技术，要想充分地发挥其功能，相关人员还需要解决该技术在发展

过程中存在的问题，并且结合激光技术本身的特点，将其应用在合适的方面，最

大程度上发挥出三维激光扫描测量技术的功能和优势，促进我国测量技术的发展

进步。

参考文献

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