三維激光掃描支持下電視塔變形監(jiān)測試驗研究

李建敏，程光亮

(1.焦作市廣播電影電視局，河南焦作 454000;2.河南理工大學(xué)，河南焦作 454003)

1 試驗區(qū)的概況

焦作市廣播電視塔(以下簡稱“電視塔”)總高度為238.0 m，是焦作市目前最高的建筑物。電視塔的主體為鋼架結(jié)構(gòu)，總重達(dá)1100多噸，共分三個部分，從上至下依次為天線段、塔樓段和塔身段［1］，如圖1所示。盡管，在電視塔設(shè)計及建設(shè)過程中，采取了一系列工程措施。但是，由于其巨大重量突然矗立于天然黃土地上，改變了其原始的地質(zhì)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，同時，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性，在巨大的外部壓力下，電視塔將產(chǎn)生沉降、傾斜、扭曲、位移等一系列復(fù)雜的彈、塑性變形。這些變形將不同程度地對電視塔的正常使用產(chǎn)生影響。

2 Trimble－GX掃描儀的特性

三維激光掃描儀是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測繪儀器，它采用非接觸式高速激光測量方式，以點云的形式獲取復(fù)雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。在電視塔變形監(jiān)測中，采用的三維激光掃描儀為Trimble－GX全站式掃描儀，它具有全站儀的靈活性、操作友好和高精度的特點［2］。

Trimble－GX掃描儀體現(xiàn)了以下6個重要特性:

(1)全方位視角360°×270°，在安置儀器時，不需擔(dān)心視場角問題。

(2)高精度雙軸(傾斜)補償器，補償范圍±6'，分辨率1″，可以根據(jù)測量控制點完成高精度的導(dǎo)線測量。

(3)測量級的點位精度±7 mm，單點精度高。

(4)有效的掃描距離約為350 m，這一測程幾乎能夠滿足所有無反射棱鏡測量儀器的測量領(lǐng)域。

(5)與高分辨率的數(shù)碼相機集成，用于快速選擇掃描區(qū)域，實現(xiàn)影像的自動糾正和點云重合。

(6)與其相配套的固化軟件可以設(shè)置一系列自動化的場景掃描，在操作上實現(xiàn)了無人值守。

3 監(jiān)測方法和內(nèi)業(yè)處理

3.1 監(jiān)測方法

在進(jìn)行電視塔變形監(jiān)測時，首先在地面上設(shè)置6個球形把手，然后在塔身上選取39個點，一共45個影像控制點，測得其相對高精確的三維坐標(biāo)。其中塔身上選14個點和地面6個球形把手為坐標(biāo)控制點，塔身上其他25個有幾何特征的點作為比對檢查點。見圖1標(biāo)注所示。采用激光掃描儀中的傾斜式掃描方式對電視塔身進(jìn)行全部掃描，獲取三維影像。

公共圖書館的人才需求量僅次于本科院校圖書館。公共圖書館招聘信息共有185條，占所有招聘信息的36．7%。近年來，國家層面上，隨著免費開放政策的推行以及《公共圖書館建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》等文件的實施，公共圖書館的硬件條件取得了較大發(fā)展。地方層面上，地方政府及有關(guān)部門積極探索總分館模式建設(shè)，努力克服區(qū)縣一級圖書館財政保障不足的困境，出現(xiàn)了嶺南模式、嘉興模式等。在人才需求方面，與本科院校圖書館相比，公共圖書館具有法人代表資格，獨立性更大，因此公共圖書館的招聘更加規(guī)范、多元、靈活。

圖1 焦作市電視塔及影像控制點

3.2 內(nèi)業(yè)處理步驟

內(nèi)業(yè)處理時，在選取的6個球形把手和塔身上14個點作為影像控制點的基礎(chǔ)上，利用固化軟件建立空間絕對坐標(biāo)系統(tǒng) ，然后進(jìn)行三維影像坐標(biāo)量測，進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和處理和精度評定。

(1)在電腦上用Realworks survey 5.0，打開文件JiaoZuo TV Tower.rwp，如圖2所示。

圖2 打開文件JiaoZuo TV Tower.rwp

(2)選擇“Display”→“Display Geometry”進(jìn)行絕對定向，如圖3所示。

圖3 絕對定向

(3)在三維立體點云影像下精確切準(zhǔn)要檢查的特征點，系統(tǒng)會彈出一個下拉菜單，進(jìn)入設(shè)置菜單。

(4)影像的絕對定位。由于三維激光掃描影像是全真景再現(xiàn)，所以至少分別輸入三個影像控制點的三維坐標(biāo)X，Y，Z，進(jìn)行影像的絕對定位，以便進(jìn)行其他檢查點坐標(biāo)量測，如圖4所示。

(5)坐標(biāo)量測。進(jìn)行以上步驟后自動建立一個SUB－PROJECT文件，便可以進(jìn)行點位量測，如圖5所示。

圖4 絕對坐標(biāo)的輸入

圖5 坐標(biāo)量測

4 監(jiān)測試驗結(jié)果及精度分析

由表1，根據(jù)白塞爾公式，得到三維坐標(biāo)中誤差，如表2所示。

利用球形標(biāo)靶作控制點的影像量測坐標(biāo)表1

三維坐標(biāo)中誤差 表2

5 誤差來源分析

掃描系統(tǒng)測量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點的坐標(biāo)偏差，可以通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小。所以，偶然誤差仍是激光掃描系統(tǒng)的主要誤差來源［3］，經(jīng)綜合分析，其誤差來源如下:

(1)儀器自身的誤差。體現(xiàn)在三維激光掃描時的測距誤差和掃描角誤差。盡管監(jiān)測前儀器參數(shù)已經(jīng)得到矯正。理論上，Trimble－GX掃描儀的測距誤差在100 m以內(nèi)為7 mm。且掃描角的誤差也是與距離有關(guān)的誤差，隨著儀器與掃描目標(biāo)距離的增加，儀器自身的誤差在增大。野外作業(yè)時，掃描儀距離電視塔在300 m，該項誤差仍為一項主要誤差來源。

(2)電視塔反射面的傾斜影響。電視塔的最高的球狀部分，離掃描儀的鏡頭高度有220 m，而電視球上部的掃描數(shù)據(jù)與所測得的控制點點位精度較差，大部分點位均在2 cm～3 cm，精度相對較差。而塔身上接近地面部分的點云數(shù)據(jù)與所測得的控制點坐標(biāo)相比，點位精度較好，大部分點位均在1 cm～2 cm，精度較高。所以塔身目標(biāo)物體反射面的傾斜影響仍然是最主要的誤差來源。

(3)電視塔表面的涂膜材料的影響。電視塔鋼架結(jié)構(gòu)的塔身上涂膜的是灰色防銹漆，回光信號比較好，掃描測量精度比較好。

(4)物體表面的粗糙程度的影響［4，5］。三維激光掃描點云數(shù)據(jù)的精確程度與物體表面的粗糙程度有著密切的關(guān)系。電視塔身為鋼架結(jié)構(gòu)，材質(zhì)幾何形狀比較好，電視塔目標(biāo)物體反射表面的粗糙程度引起的影響應(yīng)當(dāng)比較小。

(5)外界環(huán)境條件的影響［6］。溫度和氣壓等外界環(huán)境條件對激光掃描的影響主要表現(xiàn)為溫度變化對精密機械結(jié)構(gòu)關(guān)系的細(xì)微影響、掃描過程中風(fēng)的震動、激光在空氣中傳播的方向影響等。在野外作業(yè)時，選擇的氣溫和濕度均比較理想，外界環(huán)境條件的影響因素較小。

6 結(jié)論

(1)獲取了電視塔平面和高程方向上的三維坐標(biāo)，通過精度分析，點位量測精度都在厘米級上。

(2)選取球形控制標(biāo)志進(jìn)行點位量測精度基本可行。電視塔變形監(jiān)測試驗得到的三維坐標(biāo)中誤差為: mx=±21.2 mm，my=±19.6 mm，mz=±21.2 mm。

(3)從以上實驗結(jié)果來看，塔體高度在160 m以下的接近于地面的掃描數(shù)據(jù)的點位精度較好，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高大建筑物的變形監(jiān)測基本可行。

［1］ 程光亮，張福利，王寶山.三維激光掃描技術(shù)在工程應(yīng)用中的精度探討［J］.測繪與空間地理信息，2007(1):47～50

［2］ 羅旭，馮仲科，鄧向瑞.三維激光掃描成像系統(tǒng)中森林計測中的應(yīng)用［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29(2):82～87

［3］ 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析［J］.測繪工程，2005，14(2):31～33

［4］ 吳春峰，陸懷民，郭秀榮等.三維激光掃描系統(tǒng)中測樹中的應(yīng)用［J］.林業(yè)機械與木工設(shè)備，2008(36):48～49

［5］ 劉旭春，丁延輝.三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護中的應(yīng)用［J］.測繪工程，2006，15(1):48～49

［6］ 范占永，袁銘，嚴(yán)勇等.三維激光掃描測量天幕鋼結(jié)構(gòu)精度分析［J］.現(xiàn)代測繪，2009，32(2):7～9