LiDAR非接触测量技术在钢结构轴压稳定试验中的应用

激光雷达(LiDAR)作为一种非接触测量技术,在实验室试验和结构现场实测领域有广阔的应用前景。文章利用一套高精度LiDAR系统,基于坐标转换以及点云去噪、拟合技术,获得了钢结构轴压稳定试验中构件变形曲线;并在此基础上,根据力学分析进一步反演了构件应变分布和试验施加的外荷载。试验同时采用常规的位移计、应变片、荷重传感器测量了构件变形、应变、力,与LiDAR测量结果进行了对比。研究表明,基于激光扫描的测量技术可以实现结构构件变形、应变的整体测量,相对于传统单点测量方式具有一定的优势。     

三维激光扫描测量技术在滑坡整体监测中的应用

传统的滑坡监测方法存在效率低、监测不全面的特点,地面三维激光扫描仪可以高精度、高速度、非接触获得滑坡体表面的三维坐标。滑坡监测中不仅能得到单点信息,还可以获得变形面的信息。本文以郑州市西北某一滑坡监测为例,介绍了三维激光扫描滑坡监测流程和作业关键技术,阐述了三维激光扫描滑坡变形分析方法,运用点、线、面进行滑坡整体变形分析方法,得到滑坡体变形的点、线、面的滑坡变化信息,验证了该方法在滑坡监测中应用的可行性。     

浅述地面三维激光扫描技术及其点云误差分析

近年来,地面三维激光扫描技术的快速发展,使空间数据的获取能力得到了显著提高。地面三维激光扫描技术将使传统的工程测量从静态的单点测量发展到动态的跟踪测量和三维立体测量领域。地面三维激光扫描在土木工程、地形测量、路桥设计、地理数据采集、建筑物变形监测等诸多领域都获得了成功的应用,为城市规划及数字城市等宏观领域的广泛应用提供了条件。本文简单阐述了地面三维激光扫描技术的基本工作原理、点云误差分析及国内外的工程应用实例。     

激光三维扫描数据提取四边形算法

近年来,随着三维激光扫描点云数据质量的不断提高,从三维点云数据中提取边缘直线成为了新的研究领域。由于点云离散分布于三维空间导致特征计算困难,目前针对激光扫描点云直线提取的方法普遍存在计算量大、易提取错误等问题,本文针对实际工程项目中的方形构件进行三维激光扫描,对得到的点云数据做平面拟合后进行坐标转换处理,将三维转换为平面,再进行平面点集凸包搜索得到最长的凸包线,经过坐标旋转至边缘大致水平,最后采用Sobel算子进行边缘提取,再做直线拟合得到精确的四边形边线,较好地实现了方形建筑构件点云数据的边框四边形提取。     

LiDAR点的精度检验

LiDAR机载激光扫描测高或激光雷达(LiDAR)是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统,可以量测地面物体的三维坐标,在三维地理空间信息的数据采集方面有广阔的发展前景和应用需求。本文介绍了LiDAR测量技术的优越性及其应用,提出了LiDAR点精度的检验方法,并运用实例对加拿大OPTECH公司的ALTM3100系统的Li-DAR点的高程、平面精度进行内符合、外符合检验,并提出了提高LiDAR点精度的方法。     

基于三维激光扫描测量技术的井架变形观测

本文基于三维激光扫描测量技术,应用Trimble GX 200地面三维激光扫描仪对山东某矿井架进行了多次井架点云数据采集。首先设计了扫描方案,对获取的点云数据滤波去噪处理并进行了扫描精度检验,其次用目标板的中心拟合坐标分析了井架的垂直变形,最后通过平面拟合方程分析了井架倾斜变形。结果显示相对于传统测量方法,三维激光扫描仪获取大量点云数据能较好地分析井架整体的变形,为矿山井架安全量测提供一种高效、高精度应用方法。     

目标追踪算法在岩石表面变形测量中的实现与应用

变形测量是岩石力学理论研究和工程实践的基础，数字图像相关算法在岩石变形测量中得到了广泛的应用，但在实际应用中存在位移云图边缘检测收敛性差、定量刻画参数少等问题。基于此，将目标追踪方法引入到岩石变形测量领域，提出基于目标追踪算法的岩石表面变形测量方法，该方法通过Harris角点检测，获取图像中关键特征点的位置，之后采用KLT算法计算出跟踪点在变形后图像中所对应的位置，从而确定岩石表面的全场位移。为验证算法的可靠性，开展室内岩石剪切试验，对比分析目标追踪算法和数字图像相关算法的试验结果。研究结果表明：目标追踪算法能够实现岩石表面的非接触位移测量，相比数字图像相关算法，精度和稳定性有一定提升。目标追踪算法解决了数字图像相关算法在岩石边缘处变形量计算不收敛、稳定性差等问题，真正实现了在可计算范围内全场位移量的拾取。提出利用信息熵来定量刻画岩石破坏过程变形场的演化特征，有助于更全面、更准确地分析岩石在各种复杂外载荷作用下的力学行为。所提出的一种新的岩石表面变形场测量方法，为可视化研究岩石表面变形演化规律及损伤特征提供有效的技术手段，同时也为岩土工程领域非接触变形测量提供一定借鉴。     

基于点云的拱桥三维线形模型偏差评价方法

拱桥的线形对其受力性能影响较大，建造过程中对线形几何偏差的检测及控制至关重要。三维激光扫描通过非接触手段对结构三维几何形态进行全覆盖、高精度测量，可作为结构几何偏差分析评价的关键支撑数据。本文提出一种基于点云的拱桥三维线形偏差评价方法，该方法通过三维激光扫描获取拱桥实时点云，并基于“滑动窗口”算法提取拱肋三维几何轴线，最后通过“三维线形模型偏差评价方法”对拱肋轴线与实际测量目标设计偏差进行定量评价。以缩尺拱桥实验为例进行精度验证，试验研究结果表明，在较为理想的室内试验环境中，利用“滑动窗口”算法提取拱肋轴线的方法切实可行，与百分表线形测点的平均误差为0.039mm,其中最大误差不超过0.1mm,表明该方法可获得可靠的拱桥三维线形模型。将其应用于某拱桥实测与预测目标线形偏差评价，结果表明，实测轴线与预测目标线形整体偏差较小，无论是横桥向和竖向偏差基本在10mm内。考虑到施工等影响因素，说明该三维连续偏差评价结果精度可靠，对实际工程具有重要的借鉴价值。     

不同扫描参数、光照条件对三维激光扫描精度的影响研究

本文提出将三维激光扫描技术应用于变形监测领域,由点云变形计算原理可发现点云密度会对扫描精度造成影响,而光照条件则决定了三维扫描技术的应用场景.基于Trimble TX-8型三维激光扫描仪,通过模拟扫描对象的不同变形状态,系统研究了扫描等级和光照条件对扫描精度的影响,为三维激光扫描技术在变形监测领域的应用打下基础.     

基于MDP算法的隧道断面变形监测

传统的隧道变形监测方法虽然精度较高,但获取的数据过于离散和稀疏。随着激光技术的不断发展,采用三维激光扫描技术进行隧道的变形监测已成为行业发展趋势。笔者基于三维激光扫描技术对隧道进行变形监测,提取隧道断面点云数据后运用MDP算法计算隧道断面变形量,并与全站仪测量结果、现有点云数据处理软件计算结果进行对比,验证了采用MDP算法计算隧道断面变形的可行性。     

基于数字图像处理技术的LiDAR数据建筑物提取

LiDAR技术已经被广泛地应用于城市三维模型的重建.本文在现有方法的基础上,探讨了一种基于数字图像分析技术提取建筑物边界的方法,该方法首先将LiDAR点云数据量化生成灰度影像,然后利用图像分割、边缘检测等图像分析技术将建筑物信息与地面特征分离开,最终提取建筑物的轮廓线.实验结果表明,这种方法能够比较准确地反映建筑物的边界,效果理想.     

Development of an elliptical fitting algorithm to improve change detection capabilities with applications for deformation monitoring in circular tunnels and shafts

Terrestrial laser scanning, also known as Light Detection and Ranging (LiDAR) is an emerging technology that has many proven uses in the geotechnical engineering community including rockmass characterization, discontinuity measurement and landslide monitoring. One of the newer applications of LiDAR scanning is deformation monitoring and change detection. In tunnels, deformation is traditionally measured using a series of five or more control points installed around the diameter of the tunnel with measurements recorded at regular time intervals. LiDAR provides the ability to obtain a more complete characterization of the tunnel surface, allowing for determination of the mechanism and magnitude of tunnel deformation, as the entire surface of the tunnel is being modeled rather than a fixed set of points. This paper discusses terrestrial LiDAR scanning for deformation mapping of a surface and for cross-sectional closure measurements within an active tunnel using an elliptical fit to data for profile analysis. The methods were found to be accurate to within a few millimeters when measuring 58 mm of diametric difference over an 18.3 m diameter circular profile, even when some sections of the data were removed from the analysis.     

基于激光扫描的盾构隧道断面提取与变形研究

将三维激光扫描技术应用于盾构隧道变形监测中,提出了一种盾构隧道断面连续提取以及变形分析的方法。首先对拼接完成的点云数据利用随机采样一致性算法提取隧道局部中轴线,基于中轴线对隧道姿态进行调整以截取隧道断面,然后通过聚类去噪算法,基于点到中轴线的距离和灰度值对断面点云进行去噪处理,最后对批量预处理后的点云数据采用椭圆拟合算法获取隧道相对变形信息,提取各断面收敛变形信息,同时基于断面各点变形值生成三维变形云图。采用徕卡Scanstation c10获取上海地铁10号线隧道点云数据,实验证明本文所提出的方法在隧道断面变形监测方面具有实践意义,变形监测精度满足工程需求。     

新型深层螺旋板载荷试验装置研究及成果应用

常规螺旋板载荷试验过程中,随着测试深度增加,传力杆的弯曲变形逐渐累积,沉降测量的误差逐渐增大,测试精度逐渐降低,且该误差难以避免和修正,导致对地基土综合性状判别误差较大,不能满足设计要求。本文成功研制了集成位移测量和载荷测量的新型螺旋板载荷试验探头,利用内轴和套管相对位移原理,将传统的地表测量沉降位移方式改进为在地下的螺旋板头上端直接测量方式,消除了传力杆弯曲变形和地表扰动对试验结果的影响,使测试深度和精度取得了突破性进展。     

Monitoring tunnel deformations by means of multi-epoch dispersed 3D LiDAR point clouds: An improved approach

Monitoring tunnel deformations is a crucial task when evaluating tunnel stability and safety. This task requires an accurate and high-resolution spatial technique to precisely capture the meticulous anomalies on a tunnel surface. As a response, the light detection and ranging (LiDAR) technique, which collects detailed spatial data in a fast and automatic manner, was recently proposed by Han et al. (2013) for monitoring the deformation of a 2D tunnel profile. Although the proposed approach successfully uses this modern spatial technique in tunnel analysis, the benefits of the 3D LiDAR technique have not been fully exposed. This study improved the technique as a real 3D approach. The associated uncertainties can be reduced by avoiding the 3D to 2D profile projection step. The minimum-distance projection (MDP) was then estimated using directly the 3D dispersed point clouds so that any deformation signal (point displacement) along the entire tunnel surface can be immediately identified. Furthermore, a rigorous covariance propagation approach was introduced to provide explicit quality indications on the obtained solution. The results of simulation tests and a real case study of a highway tunnel showed that the spatial implications of the 3D LiDAR technique can be fully explored by implementing the improved approach. Consequently, a more accurate and comprehensive solution for monitoring tunnel deformations can be achieved.     

基于假设检验原理的边坡临滑时刻的动态识别方法

 位移监测技术在边坡工程中的应用越来越广泛,如何根据动态监测信息及时掌握边坡稳定性状态,判定边坡的临滑时刻是有效实施滑坡预警、避免滑坡灾害发生的关键问题之一。在分析各种典型滑坡判据的基础上,确定将位移加速度大于0作为边坡的临滑判据;基于假设检验原理,将由观测得到的位移数据生成的位移速度变量看作是一随机变量,认为边坡在等速变形阶段时的位移速度变量服从正态分布,一旦进入加速变形阶段时则不服从正态分布,据此提出基于Lilliefors检验的边坡临滑时刻的动态识别方法。结合平庄西露天矿顶帮9•15滑坡过程中的监测数据,对边坡在不同变形阶段的位移速度变量进行形态检验,得出该边坡在等速变形阶段时,位移速度变量服从正态分布,进入加速阶段后服从指数分布,并且在剧滑前的一段时间内位移加速度变量服从正态分布,验证上述方法的合理性。研究结果表明,该方法能够及时、准确识别边坡的临滑时刻,可有效提高滑坡预警的可靠性。     

结构检测数据的无线传输系统

在结构试验中,不论是实验室试验还是工程现场检测,都存在着数据采集布线复杂的问题,尤其对于空间尺度较大的结构试验(如实验室大尺寸和足尺结构试验,工程结构的现场动力检测等),这一问题更加突出,有时造成了不能同步对各测点进行数据采集。本文根据结构试验数据采集对采样速率、被测信号的频率量程、同步精度等技术要求,对应用于结构试验无线数据采集系统中的几种无线数据传输技术各自的优劣性进行了比较,综合提出了结构试验无线数据采集系统的可行性方案。     

测量机器人在野猫面滑坡变形监测中的应用

介绍了自动变形监测系统及其在野猫面滑坡变形监测中的应用,结果表明,采用测量机器人对该滑坡能进行快速监测,具有时效性强、观测精度高等特点,并可同时获得每个变形点的平面位移和垂直位移信息,克服了以往平面位移监测和垂直位移监测分别进行的缺陷。     

Intelligent information acquisition methods and seismic damage prediction of rural masonry building groups

我国村镇地区砌体结构分布广、数量大、抗震性能普遍较差，且具有结构形式多样、无数据和随机性强等特点，获取其建筑信息是实现震害预测的前提和基础，但传统人工检测技术效率低、不经济。为此，提出了一种图像识别与模糊推理相结合的村镇砌体建筑群信息智能获取方法。建立了基于卷积神经网络的砌体建筑图像识别模型，结合图像测量技术获取建筑几何信息；提出了基于模糊推理的砌体结构隐蔽信息确定方法，可有效提取村镇砌体结构墙体属性、构造措施、材料强度等隐蔽属性信息；依据获取的建筑信息与场地信息，分别建立单体结构力学模型与空间地震动场模型，通过结构地震动力响应分析实现村镇区域砌体建筑群的震害预测。最后，对北方地区某村落进行群体建筑信息获取和震害预测，结果表明,基于影像数据的图像识别和图像测量技术可以有效获取村镇建筑结构类型以及外观尺寸信息,提出的模糊推理方法可以高效、准确地识别砌体建筑群的隐蔽信息，进一步通过对震害场景的数值模拟，实现村镇区域群体建筑震害的有效预测。     

村镇砌体建筑群信息智能获取与震害预测

我国村镇地区砌体结构分布广、数量大、抗震性能普遍较差,且具有结构形式多样、无数据和随机性强等特点,获取其建筑信息是实现震害预测的前提和基础,但传统人工检测技术效率低、不经济。为此,提出了一种图像识别与模糊推理相结合的村镇砌体建筑群信息智能获取方法。建立了基于卷积神经网络的砌体建筑图像识别模型,结合图像测量技术获取建筑几何信息;提出了基于模糊推理的砌体结构隐蔽信息确定方法,可有效提取村镇砌体结构墙体属性、构造措施、材料强度等隐蔽属性信息;依据获取的建筑信息与场地信息,分别建立单体结构力学模型与空间地震动场模型,通过结构地震动力响应分析实现村镇区域砌体建筑群的震害预测。最后,对北方地区某村落进行群体建筑信息获取和震害预测,结果表明,基于影像数据的图像识别和图像测量技术可以有效获取村镇建筑结构类型以及外观尺寸信息,提出的模糊推理方法可以高效、准确地识别砌体建筑群的隐蔽信息,进一步通过对震害场景的数值模拟,实现村镇区域群体建筑震害的有效预测。