1.1 研究背景和意义
我国的建筑事业正在如火如荼的进行着，基坑工程呈现出开挖深度越来越深，体量越来越大的趋势[1]，随之而来的问题是安全隐患也越来越大，所以保证施工的安全和顺利进行具有重要的意义。各种工程事故基本上都是因为变形过大而造成的，如果对建筑工程的施工变形有了整体上的监测和控制，在其达到预警值之前就采取相应的措施则会大大增加施工的安全性。 目前，建筑工程施工变形监测主要是运用全站仪和水准仪等监测工具，在基坑以及周边建筑物上设置若干监测点，对这些监测点进行变形监测，来评价建筑工程的整体安全性。由于很多没有监测点的地方的变形如果超过预警值也不会被人们所察觉到，所以这种以有限个监测点的变形情况来评价建筑工程的整体安全性的传统监测方法存在片面性和不安全性，而且施工现场时常处于人口较为集中，建筑密度较大的城市中心地带[2-3]，由于施工场地狭窄，各种施工材料的堆积以及人员的高流动性，使得监测点很容易受到破坏和遮挡，无法保证建筑工程施工变形监测的持续进行，从而也不能保持各项监测数据的实时性和连续性。 伴随人们对空间信息获取的高速性和整体性的需求，以及激光测距技术、传感器集成技术和计算机技术的发展，三维激光扫描技术应运而生，为空间数据的获取和逆向工程提供了新的方法，也为工程测量和勘察提供了更加有效、快捷的技术措施，推动着空间数据的获取向着实时化、数字化、动态化、智能化和高效化的方向发展。同时，三维激光扫描技术能够快速完整地采集复杂的、大型的、不规则的、标准或非标准的实景或实物的三维信息，并以点云的形式保存在电脑中，通过软件的后处理，可以重构出目标物的三维模型以及线、面、体等各种要素，被称为测绘领域继 GPS 之后的又一次技术革命[4-6]。 目前该技术已经在众多领域取得了一定的应用，主要包括大型工程设备的设计与制造[7]，工业领域中大型设备的形变或位移测量[8-10],三维地形图的测量和勘察[11-12],山体滑坡和桥梁的监测，大坝、隧道等工程施工时的变形监测以及古建筑的修复保护[13-15]，并取得了一定的应用成效。
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1.2 国内外的研究现状
三维激光扫描技术是诞生于 20 世纪 90 年代的一种新兴测量技术，属于一种具有高效率、高精度等特点的实景复制技术，目前一些发达国家已将这项新技术广泛应用于各个行业，如文物保护、道路设计、隧道断面监测、建筑物快速建模、工业设计等。国外学者对该技术的研究和探索起步较早，相关技术也较为成熟。 1993 年，E.Chen 等[16]首次提出了 IBMR 技术，该技术将实物照片信息直接合成新视点的图像，但不能形成三维模型，这也是三维激光扫描技术的雏形。 1994 年，M.levoy[17]提出了用三角原理的扫描仪和彩色照片相联合以建立三维模型的一系列相关技术，并和他的小组建立了米开朗琪罗的一些主要雕塑品的三维模型。 1997 年，加拿大 NRC（National Research Council）的 El-Hakim[18]成功地将CCD 照相机和扫描仪组装在一起，建立了相应的硬件系统，然后将两者同时固定在一辆小车上，得到了一个同时包含数据采集和配准的系统 DCR，并通过建立一个室内场景的三维模型，成功验证了该系统的可行性。 2001 年，Y.YU 等[19]首先建立了某室内场景的三维模型，并增加了模型的编辑功能，在此基础上提取出了场景中的一些特征实物。 2002 年，P.K.Allen 和 I.Stamos [20]构建了一个较为完整的三维信息采集系统，该系统不仅能够获取待测物的深度图像，而且能同时采集其彩色图像，使得获取的三维模型具有高度真实感；另外，Fruh 等[21]利用航空图像和航空激光扫描数据，并借助数码照相机和 2D 激光扫描仪对建筑物进行了扫描，得到了带有色彩的街区模型。 2011 年，RIEGL LMS-Z210 型激光扫描仪出现在了日本的福岛核电站[22]，相关部门将其结合小型机器人，对核设施进行了全方位的扫描，所获取的灾区数据对灾区的重建工作和灾情的掌控具有重要的参考价值和指导意义。
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第二章 地面三维激光扫描技术
随着测量科学和精密仪器的发展以及人们对激光的认识和应用，三维激光扫描技术应运而生，对该技术进行详细地了解是充分利用它的前提条件。本章详细介绍了地面三维激光扫描技术的工作原理、组成部分、特点以及主要的应用领域，为深入地研究该技术在建筑工程施工变形监测中的应用打下了基础。
三维激光扫描系统集成了多种高新技术，该系统采用主动、非接触的测量方式获取目标物表面的三维信息，具有采集速度快、精度高、密度大等特点。地面三维激光扫描系统主要包括以下几个部分：三维激光扫描仪、控制 PC 机、电源和三脚架[38]。而其中的核心部分激光扫描仪包括：激光测距系统、激光扫描系统以及扫描仪内部集成的 CCD 摄像机[39]，下面对其进行详细介绍。脉冲式测距系统是目前应用最广泛的测距方法，其测量速率介于相位式和三角法测距之间，最显著的优势是有效测量距离较大，目前能够达到一公里以上。它利用激光脉冲二极管发射激光信号，然后通过高速旋转的棱镜反射至目标物表面，最后通过探测器接收反射回来的信号，通过发射激光信号至接收激光信号的时间来测量待测物至扫描仪发射中心的距离[40]，可以归纳为四个步骤：激光发射、激光探测、激光接收以及时延和距离计算，其距离计算原理见式 2-1。
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2.2 点云数据的预处理
点云数据的采集不仅受扫描环境、站点规划、仪器架设的影响，而且与三维激光扫描仪的型号、性能、构造和扫描方式有关。一个完整的扫描过程包括：点云数据采集、点云数据处理和三维建模并输出。其中，点云数据的处理是最核心的步骤，直接决定了建模成果的质量，其相关的处理方法必须合理和科学，下面详细介绍该步骤中的点云滤波和点云拼接。三维激光扫描仪在获取数据时不可避免地会将目标物之外的物体扫描进去，这样就增加了很多无用的点云数据[42]，比如在对基坑进行扫描时，会获取基坑内部的施工人员和机械以及各种堆积的建筑材料的点云，对基坑的支撑和围护结构的建模产生了严重的影响。所以，需要有效的点云滤波方法对原始点云进行滤波。 有效的点云滤波方法不仅可以去除点云中的噪声点，而且还可以根据需要降低点云的密度，压缩数据量，简化后期的处理工作。点云的滤波方法主要有曲率滤波、高斯滤波、中值滤波和均值滤波，下面对这四种滤波方法进行介绍。
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第三章 三维激光扫描仪精度检核及误差分析 ....... 19
3.1 三维激光扫描系统介绍 ........... 19
3.1.1 三维激光扫描仪性能及指标 .... 20
3.1.2 三维激光扫描仪配套软件 ........ 21
3.2 TSP 定位系统介绍 .... 22
3.3 标靶球拟合距离研究 ....... 26
3.4 三维激光扫描仪精度检核 ....... 28
3.5 地面激光扫描仪误差分析 ....... 33
3.6 本章小结 ........... 39
第四章 基于三维激光扫描仪的建筑工程施工变形监测方法 ....... 40
4.1 基于三维激光扫描仪的异地控制法 ....... 40
4.2 基于三维激光扫描仪的 TSP 控制法 ...... 47
4.3 两种方法的模拟变形试验 ....... 48
4.4 本章小结 ........... 50
第五章 三维激光扫描技术在建筑工程施工变形监测中的应用实例 ........... 51
5.1 三维激光扫描仪变形监测适用范围研究 ....... 51
5.2 异地控制法用于建筑工程施工变形监测 ....... 53
5.3 TSP 控制法监测基坑围护结构 ........ 63
5.4 两种监测方法的特点分析 ....... 66
5.5 本章小结 ........... 66
第五章 三维激光扫描技术在建筑工程施工变形 监测中的应用实例
5.1 三维激光扫描仪变形监测适用范围研究
不同于传统监测工具的单点式监测，三维激光扫描仪通过包含数以万计带有三维坐标信息的点的点云进行变形提取，即先将不同期的点云配准，使其完成坐标系的统一，再将第一期的点云建立成三维模型，然后通过模型求差法计算两期点云之间的距离。建筑工程施工的变形监测项目包括：邻近建筑物的沉降和倾斜监测、邻近道路的沉降监测、支护结构桩墙顶的沉降和水平位移监测、深层水平位移的监测、土体分层的沉降监测等，并不是所有的位移都适合用三维激光扫描仪进行监测，这就需要设计试验探究三维激光扫描仪用于变形监测的适用范围。制作一个 14cm×11cm×27cm 和两个 9cm×9cm×16cm 的纸盒，将其平齐放在桌面上，如图 5-1 所示，在距离桌子 2m 左右的地方架设扫描仪，设置好扫描仪的参数并对三个盒子进行扫描；扫描完成后，将第一个盒子向左平移约 5cm，第二个盒
