桥梁模型的三维激光扫描变形分析及精度评定

作者:陈智聪; 刊名:四川建材 上传者:陈维芳

【摘要】对三维激光扫描的误差来源进行了阐述,并以桥梁模型为载体设计了变形监测实验。三维激光扫描仪和高精度全站仪同时观测,对两类数据进行处理,分析了桥梁的变形情况,最后对扫描数据的精度可靠性进行了评定。

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1三维激光扫描误差影响分析地面三维激光扫描系统在扫描测量时,除了仪器自带的误差成分外,还会受到外界环境条件的影响[1],三维激光扫描仪的精度即所获取点云的点位精度,有绝对和相对定位精度之分[2]。1.1测距、测角误差扫描仪在距离测量及角度测量这两个方面存在偏差是影响点云数据质量的主要误差源之一。现阶段,已有不少学者采用自检校法对仪器的系统误差进行检定,参照全站仪的误差来源,基于空间相似变换公式,构建了包含6个外部定向参数(3个旋转参数和3个平移参数)及5个仪器系统误差参数的自检校误差模型[3]。模型如下:f=XYZ????????=R(Φ,Ω,Κ)xyz????????+ΔΧΔYΔΖ????????(1)式中,(x,y,z)和(X,Y,Z)分别为扫描坐标系和外部坐标系下的坐标;(Φ,Ω,Κ)为3个旋转参数,由其构成旋转矩阵R;(ΔΧ,ΔΥ,ΔΖ)为3个平移参数。1.2激光束误差影响地面三维激光扫描仪利用接收的激光信号进行被测物的定位,其中经过处理接收到的激光光斑来获取距离值,通过光斑的中间点位即时获取所测点的水平及竖直角,这其中会容易产生测角误差,由此可能引起扫描点位误差。1.3目标物和环境影响被测物外表的平滑度对点云的质量有明显的影响,该因素会引起激光脚点位置出现偏差,该差值接近于目标物外表粗糙最大量的1/2。当物体表面不平滑时,可能会导致激光回波信号出现多值现象,对于某些不能综合处理接收光束多值性问题的扫描仪只能处理第一次或最后一次反射回来的激光束,而这都会造成测距偏差[4]。地面三维激光扫描仪作为一种高度精密的测量仪器,受气温(高温或低温)、气压的影响,其内部构件会发生相应的变化,此外,在进行外业测量时,获取的点云信息也会受到风吹动的作用而出现误差。2桥梁模型变形监测本实验利用Faro Focus3D×120和TS30全站仪对布有8个标靶监测点的可升降桥模型进行同步观测,首先就获取的桥模型三维激光扫描标靶数据进行变形分析,然后利用全站仪的标靶观测数据为基准,在进行桥变形分析的同时,对上述两种变形监测结果进行精度评定。2.1数据采集实验中通过变动桥模型的高度来假定桥本身的变形,实验数据包括Faro Focus3D×120及TS30全站仪两类数据,分两次对桥模型进行测量,其中扫描仪每次分两站式进行扫描。扫描仪距桥模型的距离在5 m以内,扫描仪采用1/4分辨率进行数据采集[5]。桥模型标靶监测点分布如图1所示。图1桥模型标靶监测点分布实验中,利用全站仪获取的两次标靶数据如表1所示。表1全站仪标靶监测点数据m标靶第1组第2组X Y Z X Y Zs1 0.850 2 4.874 1-0.585 4 0.861 2 4.875 1-0.616 3s2 1.357 1 4.891 3-0.593 4 1.356 0 4.891 4-0.630 5s3 2.135 3 4.922 4-0.587 1 2.135 2 4.922 4-0.626 2s4 2.661 1 4.938 2-0.585 1 2.649 1 4.937 0-0.621 1x1 0.398 3 4.809 5-0.819 4 0.399 2 4.809 6-0.829 5x2 0.776 1 4.821 0-0.795 2 0.777 2 4.822 1-0.823 1x3 1.315 3 4.837 2-0.782 1 1.315 3 4.838 1-0.820 2x4 1.709 1 4.854 2-0.789 3 1.708 3 4.854 3-0.823 1实验中采用商用SC

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