静态与动态条件下用于变形监测(Deformation Monitoring)的地基激光扫描(Terrestrial Laser Scanning, TLS)几何精度的实验与解析大地测量精度评估

《Scientific Reports》：Experimental and analytical geodetic accuracy assessment of terrestrial laser scanning for deformation monitoring under static and dynamic conditions

　　

三维（Three-Dimensional, 3D）测量技术的最新进展显著提升了结构变形监测的能力。其中，地基激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）作为一种强有力的大地测量工具应运而生，能够快速获取高密度3D点云且具备毫米级精度。然而，TLS用于高精度变形监测的可靠性需在静态与动态测量条件下进行全面的实验与解析验证与评估。本研究对TLS观测值用于结构变形监测的几何精度进行了详尽的实验与解析评估。研究人员开展了一系列受控实验，通过将TLS导出的坐标、距离及角度测量值与高精度全站仪（Total Station）获取的参考观测值进行对比来评估其精度。还通过数字精密游标卡尺控制水平、竖向及倾斜位移，研究了TLS探测微小结构位移的能力。此外，为模拟现场动态条件，研究了不同振动频率与幅值下三脚架诱发振动对TLS测量精度的影响。通过位于埃及Ras-Gharib市的立式圆柱形储油罐的几何评估与倾斜分析真实工业案例，展示了TLS在结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）中的实际应用。实验结果表明，与参考测量值相比，TLS探测结构位移的差异范围为0.78至2.16 mm；而在数种振动条件下，振动影响可导致距离变化量达4.1 mm，水平角偏差约达100角秒（arc-seconds）。这些结果为TLS技术的能力与作业局限性提供了实用见解，支持其在结构变形监测与精密工程测量中的有效应用。

论文解读：静态与动态条件下用于变形监测的地基激光扫描(TLS)几何精度的实验与解析大地测量精度评估

研究背景与意义

传统变形监测多采用全站仪(Total Station)、精密水准测量、近景摄影测量及GNSS等方法，难以同时兼顾大面积高密度三维(Three-Dimensional, 3D)几何捕获与非接触测量。地基激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）可快速获取物体表面百万级3D点云，在空间分辨率与采集效率上具有优势，但其用于高精度变形监测时，受扫描距离、角分辨率、环境及仪器稳定性（尤其是动态条件下的三脚架振动）影响显著，现有研究缺乏在受控静态与动态条件下同步评估坐标精度、变形探测能力及振动影响的综合性实验。为此，研究人员开展了本项实验、解析及实地案例研究，以明确TLS在结构变形监测中的适用性与局限，论文发表于《Scientific Reports》。

主要关键技术方法

研究采用Riegl LMS-Z420i TLS与Trimble Zeiss 3305 DR全站仪（无棱镜测距精度约±5 mm）作参照。①静态精度实验：在垂直墙面布设30个反射靶标，于14.848 m、20.714 m、26.491 m三个扫描距离及0.035°、0.015°、0.007°三个角分辨率下扫描，通过坐标差值、点间距离及角度对比全站仪参考值评估精度；②变形探测实验：布设九点（八点可控位移+中心固定点），用分辨率0.02 mm数字游标施加水平/竖向/倾斜微量位移，对比两期TLS坐标差与游标读数；③动态（振动）实验：在三脚架上加装带偏心质量的风扇模拟振动，设置三脚架腿距93 cm与57 cm两组，用三轴加速度计记录振动信号，分析有/无振动下TLS测距、测角及坐标差异；④工程案例：采用Optech长距离与FARO短距离TLS对埃及Ras Gharib立式圆柱钢制储油罐扫描，基于最小二乘圆拟合(Method of Least Squares Circle Fitting)求各高度截面圆心坐标(x_C, y_C)与半径r，通过不同高度圆心偏移计算罐体轴线及壁面倾斜(Inclination)。

研究结果

Determination of point coordinates and its accuracy from TLS measurements（TLS点坐标确定及其精度）

TLS依据斜距S_i、水平角α_i和竖直角γ_i按极座标转换公式计算目标点3D坐标(X_i, Y_i, Z_i)；通过误差传播律推导坐标各分量标准偏差m_X、m_Y、m_Z与测距标准差m_S、测角标准差m_α、m_γ的函数关系，为理论精度预估提供依据。

Experimental assessment of TLS accuracy under different scanning distances and resolutions（不同扫描距离与分辨率下TLS精度的实验评估）

在三种距离与三种角分辨率组合下对比TLS与全站仪测得30个靶标坐标，全站仪坐标标准差X方向2.76～4.59 mm、Y方向1.96～4.28 mm、Z方向0.61～1.21 mm；TLS坐标标准差随距离增大而增大，随角分辨率提高（更密）略有改善，X分量标准差约8.54～12.26 mm。结论：TLS坐标精度略低于全站仪，但仍可达毫米级，满足多数工程监测需求；扫描距≈20 m时相对精度最优。

Accuracy assessment of TLS observations based on Inter-Point distances and angles（基于点间距离与角度的TLS观测值精度评估）

计算靶标点间三维距离并与全站仪参考距离比较，全站仪距离标准差平均约4.48 mm（范围2.93～4.97 mm），TLS距离标准差平均约4.38～7.57 mm（视配置而异），在扫描距≈20.7 m时相对距离精度接近全站仪。水平角由余弦定理基于平面坐标计算，TLS水平角标准差约±0.001°～±0.007°，RMSE约±0.002°～±0.011°；距越远、角分辨率越低则角精度越差。结论：TLS能保持点间相对几何关系的一致性，相对距离精度通常4～8 mm。

Determination of geometric parameters (exterior orientation) from TLS observations（基于TLS观测值确定几何参数——外部定向）

通过最小二乘求解TLS Scanner Coordinate System到Total Station Coordinate System的平移向量T_X, T_Y, T_Z与旋转矩阵R(ω_X, ω_Y, ω_Z)，并引入距离Δs、水平角Δα、竖直角Δγ系统误差改正项进行标定。结论：先验精度公式与实测结果差异<15%；提高扫描分辨率可提高点坐标精度；Riegl LMS-Z420i在目标距约20 m时达到最佳外部定向解算精度。

Study the accuracy of terrestrial laser scanner observations for deformation monitoring（TLS用于变形监测的观测精度研究——可控位移实验）

对施加已知位移（水平/竖向/倾斜）的八个靶标进行两期TLS扫描，位移量由数字游标（0.02 mm分辨率）校准。TLS探测位移与游标参考值之差（差异）为0.78～2.16 mm。结论：TLS可非接触探测毫米级结构位移，适用于油罐、冷却塔等高耸结构变形监测。

Comprehensive investigation of vibration effects (dynamic conditions) on the accuracy of TLS observations（振动影响——动态条件下TLS观测精度的综合研究）

人为激发三脚架振动（主导频率≈12～48 Hz，振幅≈8～38 μm），对比静止与振动状态下TLS测量结果。振动导致测距变化量平均0.3～4.1 mm，水平方向测角变化4″～100″（最大约100 arc-seconds），竖直角变化可达70″；坐标差异随振动增强增大。缩紧三脚架腿距（57 cm vs 93 cm）改变系统动力特性，高频大振幅下影响更显著。结论：角测量比距测量对振动更敏感；三脚架—仪器系统稳定性是TLS高精度测量的关键，建议采用橡胶减振垫等隔振措施或在后处理中考虑振动影响。

Investigating the inclination of steel vertical oil tank using TLS（基于TLS的立式钢制储油罐倾斜分析）

对直径约23 m、高12 m立式圆柱油罐多站点扫描，沿罐高每间隔提取水平截面点云，最小二乘圆拟合得各截面圆心(x_C,j, y_C,j)与半径r_j；以底部第一节圆心为基准，计算上部各节圆心偏移量Q_XJ=X_CJ-X_C1、Q_YJ=Y_CJ-Y_C1得到罐体轴线倾斜，结合半径差修正得壁面倾斜。结论：TLS可高效、可靠测定大型圆柱储罐几何参数与倾斜度，点云密度高使局部变形细节可被识别。

讨论与结论（结论部分翻译整理）

本研究通过理论误差传播、受控实验室实验、振动分析及工业案例对Riegl LMS-Z420i TLS用于结构变形监测的大地测量精度进行了综合评估，得出以下结论：

① TLS坐标、距离及角度测量可达毫米级精度；虽全站仪水平坐标精度更高，TLS坐标精度通常约为全站仪的60%（即较全站仪低约40%但保持稳定）。

② 扫描距离与角分辨率显著影响TLS精度——较高角分辨率提升精度，增大扫描距致精度系统性降低；仪器在目标距约20 m时表现最佳。

③ 可控位移实验表明TLS可探测水平、竖向及倾斜位移，与数字游标比对差异为0.78～2.16 mm，足以用于圆形建/构筑物、储罐、烟囱及高层建筑的倾斜与位移监测且具非接触优势。

④ 三脚架诱发振动显著影响其测量——距误差最大约4.1 mm，水平角偏差可达约100″，竖直角偏差可达约70″；角度测量比距离测量对振动更敏感，在工业或动态环境中须采取隔振与稳定措施。

⑤ 埃及Ras Gharib立式圆柱钢储罐案例证实TLS通过最小二乘圆拟合与空间数学模型可准确求取罐体几何参数与倾斜，是一种高效、快速、可靠的关键基础设施几何偏差与倾斜检测手段。

综上，在合理选择扫描参数并管控静/动态环境条件前提下，TLS是结构变形与倾斜监测强有力且可靠的大地测量工具；虽未完全取代传统全站仪高精度测量，但在采集速度、数据密度、三维完备性及远程操作方面具显著优势，本研究结果为扫描配置选择、精度局限认知及振动效应消减提供了实用指导。