三维扫描技术在大坝变形监测中的应用探究_包利军
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2016 年第 3 期（ 总第 180 期）
江西建材
水利工程
三维扫描技术在大坝变形监测中的应用探究
■包利军 ■中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222
摘 要： 作为空间信息数据获取的新型手段，三维激光扫描技术可实现高精点云 数据的快速、高效无接触采集，被广泛用于重点文物三维重建、船体建模 分析等领域。本文从水利工程坝体易受建筑结构与不均匀外力影响的 实际情况出发，引入三维点云扫描快速获取技术来采集坝体不同时刻的 外立面数据，并经数据配准与表面特征提取，最终求解水工坝体非线性 形变特征数据，为类似坝体监测项目提供相应的参考依据。
泥石流监测、塌方土体方量测绘与建筑物变形监测的实例。
作为新兴测绘手段，激光点云数据处理与曲面建模技术的日益成
熟，使得大型、不规则实体范围快速建模成为可能。如 Trimble GX 脉
冲式 3D 激光扫描仪测程可达 350m，以 5000 点每秒的速率高效获取监
测对象表面高密度点云数据，后期经数据采集合成、后处理分析与智能
3D 建模，表面精度可达 ± 2mm，提高了大坝与滑坡监测、现状扫描测绘
的精度与直观性。
2 三维激光扫描技术工作原理
从仪器构成来分 析，三维激光扫描设备由激光 测 距、动 态 扫 描、
CCD 相机、控制终端与配准校正模块构成。其激光定位原理如图 1 所
示：
3D Laser 测距主要基于 3 种模式： 强窄
·134·
3 三维激光扫描技术在大坝变形监测中的应用 现拟以某水利工 程 为 例，探 究 三 维 扫 描 仪 在 大 坝 监 测 中 的 应 用。
该段坝体长度为 170 米，高度为 25. 7 米，拟采用 Trimble 3D Laser 扫描 仪，分 4 站完成对大坝主体的总体扫描与点云建模。其具体监测流程 如下：
脉冲测距、相位测距与激光三角测距。当前
绝大多数采用脉冲式测距，其工作原理类似
电子全站 仪，由 激 光 器 发 出 高 速 激 光 信 号，
空气传播至待测目标表面，然后接受其沿原
路径的漫反射回光信号，利用发与回收的时
间差，计算待测点 P 与扫描中心的间距 S。
动态快速扫描技术，则是在设备控制编 图 1 3D Laser 扫描定位
表 1 标靶点位坐标较差统计表
点号
标靶点位坐标较差（ mm）
X 方向
Y 方向
Z 方向
JH1
0. 7
－ 0. 4
0. 3
JH2
－ 1. 1
－ 0. 6
－ 0. 7
JH3
－ 0. 5
－ 0. 8
－ 0. 5
4 结语 传统大坝变形监测中，多利用引张线法、小角法或高精度全站仪配
合反射棱镜法，通过测定固定点方位偏差或坐标数据，仅反映坝体关键 点位的变化数据，难以建立大坝宏观结构的总体形变信息。本文将以 激光测距原理为基础的三维扫描技术，引入到大坝变形监测中，通过采 集待测目标的海量密集点位三维数据，实现了待测目标三维模型快速 构建的现代测绘方法，以其快速、高效、动态、免接触等优点，为传统大 坝变形监测提供了创新性手段。
关键词Βιβλιοθήκη Baidu 坝体变形监测 三维扫描 数据配准
1 引言
20 世纪 90 年 代 后 期，三 维 激 光 （ 3D Laser） 逐 步 出 现，加 拿 大
NＲC 研究机构利用 CCD 相机与 Laser 扫描仪搭建起小型数据采集配准
系统，完成了场景扫描建模； 后期伴随现代光电测绘、传感器集成与数
据处理技术的发展，国内外均出现许多将三维激光扫描技术引入滑坡
（ 3） 点云数据处理。根据监测系统控制点和标靶约束条件，将多站 点云扫描数据自动拼接，并生成拼接残差数据，按照精度要求，手工剔除 杂物等噪声信息后，采用 Gauss Filter 线性平滑滤波器进行降噪处理。
（ 4） 重采样建模与剖面数据分析。为降低数据量来提升建模效 率，对 Gauss 处理后的坝体点云数据进行重采样建模，坝体变形监测数 据分析时，可采集 DEM 模型或特征剖面线数据，分析同一点位或剖面 线在不同扫描时刻所对应的坐标值，求解其形变信息。为对比三维激 光扫描仪监测的精度，本工程选取其中 3 个标靶，以 3D Laser 精测扫描 的数据与高精度全 站 仪 测 量 值，进 行 坐 标 较 差 对 比 分 析，扫 描 精 度 良 好，完全满足形变监测的指标要求，其数据较差统计情况如表 1：
参考文献 ［1］宋宏． 地面三维激光扫描测量技术及其应用分析［J］． 测绘技术装
备，2008（ 02） ． ［2］盛业华，张 卡，等． 地面 三 维 激 光 扫 描 点 云 的 多 站 数 据 无 缝 拼 接
［J］． 中国矿业大学学报． 2010（ 02） ． ［3］王婷婷，靳 奉 祥，单瑞． 基 于 三 维 激 光 扫 描 技 术 的 曲 面 变 形 监 测
模，以提高点云模型的真实性； 控制终端与配准校正模块，则用于系统
协调作业与误差检查校正，关于三维激光扫描数据处理的步骤与流程
如图 2 所示：
图 2 点云数据处理流程图 当 3D Laser 对待测目标扫描时，针对待测目标较大或部分遮蔽，通 常采用多站架设、内业拼接的方式进行，利用点云数据空间变换进行数 据匹配，同时用滤波方式剔除噪声数据，最后完成曲面模型重构。
（ 1） 监测控制点设置。为满足周期性点云扫描和数据拼接的要 求，从远离坝体变形区布设 6 个稳固的测量基准点，并保持基准点间的 相互通视，利用 Topcon MS05A 高精度全站仪测定其监测控制网点位坐 标，维持统一的测绘基准。
（ 2） 坝体点云数据扫描。在清除坝体表面杂物后，利用 Trimble 三 维激光扫描仪按照自由设站的方式，根据控制点坐标数据，按照空间交 会原理求解扫描仪 中 心 坐 标，然 后 对 坝 体 结 构，进 行 三 维 激 光 点 云 扫 描，采样间隔 5cmX5cm，并对坝体所布设的标靶进行精扫（ 1mm 精度） ， 以提高后期点云拼接处理的精度； 每测站完成后实行换站扫描，并保持 相应重叠度。
码器的作用下，基于扫描中心 O 为原点的自
原理示意图
定义坐标系统，测定单脉冲激光的横向水平扫描角度 α 与纵向垂直角
度 β，并结合激光测距 S 来求解待测目标点位置数据，其（ x，y，z） 计算
{x = Scosβcosα
公式为： y = Scosβcosα z = Ssinβ
待测目标对象的真彩色纹理信息，由 CCD 相机采集后用于三维建
［J］． 测绘通报． 2011（ 03） ． ［4］邢正全，邓喀中． 三维激光扫描技术应用于开采沉陷监测研究［J］．
测绘信息与工程． 2011（ 03） ．
作者简介： 包利军（ 1985 年生） ，毕业于中国地质大学（ 北京） ，现 从事水利水电设计、土地用地测绘、工程测量等相关工作。
江西建材
水利工程
三维扫描技术在大坝变形监测中的应用探究
■包利军 ■中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222
摘 要： 作为空间信息数据获取的新型手段，三维激光扫描技术可实现高精点云 数据的快速、高效无接触采集，被广泛用于重点文物三维重建、船体建模 分析等领域。本文从水利工程坝体易受建筑结构与不均匀外力影响的 实际情况出发，引入三维点云扫描快速获取技术来采集坝体不同时刻的 外立面数据，并经数据配准与表面特征提取，最终求解水工坝体非线性 形变特征数据，为类似坝体监测项目提供相应的参考依据。
泥石流监测、塌方土体方量测绘与建筑物变形监测的实例。
作为新兴测绘手段，激光点云数据处理与曲面建模技术的日益成
熟，使得大型、不规则实体范围快速建模成为可能。如 Trimble GX 脉
冲式 3D 激光扫描仪测程可达 350m，以 5000 点每秒的速率高效获取监
测对象表面高密度点云数据，后期经数据采集合成、后处理分析与智能
3D 建模，表面精度可达 ± 2mm，提高了大坝与滑坡监测、现状扫描测绘
的精度与直观性。
2 三维激光扫描技术工作原理
从仪器构成来分 析，三维激光扫描设备由激光 测 距、动 态 扫 描、
CCD 相机、控制终端与配准校正模块构成。其激光定位原理如图 1 所
示：
3D Laser 测距主要基于 3 种模式： 强窄
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3 三维激光扫描技术在大坝变形监测中的应用 现拟以某水利工 程 为 例，探 究 三 维 扫 描 仪 在 大 坝 监 测 中 的 应 用。
该段坝体长度为 170 米，高度为 25. 7 米，拟采用 Trimble 3D Laser 扫描 仪，分 4 站完成对大坝主体的总体扫描与点云建模。其具体监测流程 如下：
脉冲测距、相位测距与激光三角测距。当前
绝大多数采用脉冲式测距，其工作原理类似
电子全站 仪，由 激 光 器 发 出 高 速 激 光 信 号，
空气传播至待测目标表面，然后接受其沿原
路径的漫反射回光信号，利用发与回收的时
间差，计算待测点 P 与扫描中心的间距 S。
动态快速扫描技术，则是在设备控制编 图 1 3D Laser 扫描定位
表 1 标靶点位坐标较差统计表
点号
标靶点位坐标较差（ mm）
X 方向
Y 方向
Z 方向
JH1
0. 7
－ 0. 4
0. 3
JH2
－ 1. 1
－ 0. 6
－ 0. 7
JH3
－ 0. 5
－ 0. 8
－ 0. 5
4 结语 传统大坝变形监测中，多利用引张线法、小角法或高精度全站仪配
合反射棱镜法，通过测定固定点方位偏差或坐标数据，仅反映坝体关键 点位的变化数据，难以建立大坝宏观结构的总体形变信息。本文将以 激光测距原理为基础的三维扫描技术，引入到大坝变形监测中，通过采 集待测目标的海量密集点位三维数据，实现了待测目标三维模型快速 构建的现代测绘方法，以其快速、高效、动态、免接触等优点，为传统大 坝变形监测提供了创新性手段。
关键词Βιβλιοθήκη Baidu 坝体变形监测 三维扫描 数据配准
1 引言
20 世纪 90 年 代 后 期，三 维 激 光 （ 3D Laser） 逐 步 出 现，加 拿 大
NＲC 研究机构利用 CCD 相机与 Laser 扫描仪搭建起小型数据采集配准
系统，完成了场景扫描建模； 后期伴随现代光电测绘、传感器集成与数
据处理技术的发展，国内外均出现许多将三维激光扫描技术引入滑坡
（ 3） 点云数据处理。根据监测系统控制点和标靶约束条件，将多站 点云扫描数据自动拼接，并生成拼接残差数据，按照精度要求，手工剔除 杂物等噪声信息后，采用 Gauss Filter 线性平滑滤波器进行降噪处理。
（ 4） 重采样建模与剖面数据分析。为降低数据量来提升建模效 率，对 Gauss 处理后的坝体点云数据进行重采样建模，坝体变形监测数 据分析时，可采集 DEM 模型或特征剖面线数据，分析同一点位或剖面 线在不同扫描时刻所对应的坐标值，求解其形变信息。为对比三维激 光扫描仪监测的精度，本工程选取其中 3 个标靶，以 3D Laser 精测扫描 的数据与高精度全 站 仪 测 量 值，进 行 坐 标 较 差 对 比 分 析，扫 描 精 度 良 好，完全满足形变监测的指标要求，其数据较差统计情况如表 1：
参考文献 ［1］宋宏． 地面三维激光扫描测量技术及其应用分析［J］． 测绘技术装
备，2008（ 02） ． ［2］盛业华，张 卡，等． 地面 三 维 激 光 扫 描 点 云 的 多 站 数 据 无 缝 拼 接
［J］． 中国矿业大学学报． 2010（ 02） ． ［3］王婷婷，靳 奉 祥，单瑞． 基 于 三 维 激 光 扫 描 技 术 的 曲 面 变 形 监 测
模，以提高点云模型的真实性； 控制终端与配准校正模块，则用于系统
协调作业与误差检查校正，关于三维激光扫描数据处理的步骤与流程
如图 2 所示：
图 2 点云数据处理流程图 当 3D Laser 对待测目标扫描时，针对待测目标较大或部分遮蔽，通 常采用多站架设、内业拼接的方式进行，利用点云数据空间变换进行数 据匹配，同时用滤波方式剔除噪声数据，最后完成曲面模型重构。
（ 1） 监测控制点设置。为满足周期性点云扫描和数据拼接的要 求，从远离坝体变形区布设 6 个稳固的测量基准点，并保持基准点间的 相互通视，利用 Topcon MS05A 高精度全站仪测定其监测控制网点位坐 标，维持统一的测绘基准。
（ 2） 坝体点云数据扫描。在清除坝体表面杂物后，利用 Trimble 三 维激光扫描仪按照自由设站的方式，根据控制点坐标数据，按照空间交 会原理求解扫描仪 中 心 坐 标，然 后 对 坝 体 结 构，进 行 三 维 激 光 点 云 扫 描，采样间隔 5cmX5cm，并对坝体所布设的标靶进行精扫（ 1mm 精度） ， 以提高后期点云拼接处理的精度； 每测站完成后实行换站扫描，并保持 相应重叠度。
码器的作用下，基于扫描中心 O 为原点的自
原理示意图
定义坐标系统，测定单脉冲激光的横向水平扫描角度 α 与纵向垂直角
度 β，并结合激光测距 S 来求解待测目标点位置数据，其（ x，y，z） 计算
{x = Scosβcosα
公式为： y = Scosβcosα z = Ssinβ
待测目标对象的真彩色纹理信息，由 CCD 相机采集后用于三维建
［J］． 测绘通报． 2011（ 03） ． ［4］邢正全，邓喀中． 三维激光扫描技术应用于开采沉陷监测研究［J］．
测绘信息与工程． 2011（ 03） ．
作者简介： 包利军（ 1985 年生） ，毕业于中国地质大学（ 北京） ，现 从事水利水电设计、土地用地测绘、工程测量等相关工作。