基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物墻面平整度檢測

李 廣 吳長悅 馮 騰 王春鑫

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

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基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物墻面平整度檢測

李 廣 吳長悅 馮 騰 王春鑫

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

闡述了三維激光掃描技術(shù)在某建筑物平整度檢測中的應(yīng)用，重點(diǎn)探討了三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物平整度檢測的數(shù)學(xué)模型、作業(yè)流程和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，指出利用三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物的平整度檢測具有精確可行性。

建筑物，平整度，三維激光掃描，點(diǎn)云數(shù)據(jù)

0 引言

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，高層超高層建筑物日益普及，如何保證建筑物在建設(shè)和運(yùn)營當(dāng)中的安全，一直以來都是人們所關(guān)心的問題。而對建筑物進(jìn)行各種各樣的檢測是保證其安全的重要手段，墻面的平整度檢測是建筑物安全檢測當(dāng)中的重要一環(huán)。平整度影響著建筑物的外觀，對墻面的各種裝飾的穩(wěn)定性也有一定的影響。

建筑物墻面的平整度傳統(tǒng)的檢測方法有2 m靠尺與楔形塞尺檢測法和全站儀檢測法。第一種檢測方法是將靠尺放在墻面上，將楔形塞尺的游碼推到靠尺的頂部，然后將該楔形塞尺的頂部插入靠尺與待檢測墻面間的縫隙，讀取游碼刻度即為平整度偏差。此方法不僅慢，且檢測點(diǎn)也不均勻，檢測精度不高。全站儀檢測法是一種目前最常用的墻面平整度檢測法，目前許多類型的全站儀都具有免棱鏡的測量功能，這為墻面的平整度檢測提供了巨大的便利，不僅提高了檢測的速度，而且還能大大降低檢測人員的危險(xiǎn)性。使用全站儀進(jìn)行檢測時(shí)，只需對被測墻面進(jìn)行均勻的測點(diǎn)，然后再對被測的點(diǎn)進(jìn)行平面擬合，把擬合出的平面當(dāng)作是近似的墻面，然后計(jì)算各點(diǎn)到擬合平面的距離的平均值，即為該墻面的平整度。

三維激光掃描技術(shù)是近幾十年才發(fā)展的一門新技術(shù)，它能快速，精確的對物體進(jìn)行測量，獲取被測物的三維特征信息。與全站儀相比，三維激光掃描儀能夠全天候，不需照準(zhǔn)目標(biāo)的進(jìn)行測量。相比三維激光掃描儀的這些優(yōu)勢特點(diǎn)，本文就參照全站儀對建筑物墻面平整度檢測的方法和數(shù)據(jù)處理的方法，嘗試?yán)萌S激光掃描儀對建筑物的墻面平整度來進(jìn)行檢測。

1 平整度計(jì)算方法

采用三維激光掃描儀和全站儀測量的是墻面上一系列的點(diǎn)，理論上同一墻面上的點(diǎn)應(yīng)該在一個(gè)平面上，但實(shí)際情況是由于建筑物在施工建設(shè)中的誤差，以及測量中的誤差導(dǎo)致這些點(diǎn)云往往不在一個(gè)平面上，所以就需要對這些點(diǎn)進(jìn)行擬合，把擬合的平面當(dāng)作是墻面，然后再計(jì)算各點(diǎn)到平面距離的平均值即為該墻面的平整度。

平面方程一般表達(dá)式為：

p(x,y,z)=Ax+By+Cz+D=0

(1)

為了方便求其參數(shù)，上面方程兩邊同時(shí)除去D，化為：

p(x,y,z)=ax+by+cz+1=0

(2)

對測得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(xi，yi，zi)(i=0，1,…，m)要求其最小二乘擬合平面其實(shí)就是求：

(3)

其中,p(x,y,z)=0，該公式化為：

(4)

(5)

(6)

可得：Q[abc]T=K，解得平面系數(shù)為：

[abc]T=Q-1K

(7)

各點(diǎn)到擬合平面的距離為：

(8)

墻面的平整度為：

(9)

其中，d為測量點(diǎn)到擬合平面的距離;m為測量點(diǎn)到擬合平面的點(diǎn)位中誤差，可以看作是所測墻面的垂直度，m越小就說明墻面越平整，即其平整度越高,反之，m越大就說明墻面越凹凸不平，即其平整度越低。

2 實(shí)例分析

選擇天津市濱海新區(qū)新興園小區(qū)新建的7號樓為實(shí)驗(yàn)對象，采用FARO X330型地面三維激光掃描儀對該樓進(jìn)行掃描測量。

2.1 外業(yè)掃描

該樓南北面較長，東西面較短，圖1為大樓的平面示意圖，在較長的南北面分別測量了三站，而東西面分別測量了兩站，相鄰兩站之間都有足夠的公共區(qū)域。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

本次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要分為兩步，第一步是點(diǎn)云的拼接，第二步是點(diǎn)云的去噪。由于最后需要的是各面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，故本次采用分面進(jìn)行拼接，具體為把Z1,Z2,Z3站的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接得到南面墻面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由Z3～Z5得到西面的數(shù)據(jù)，Z5～Z7得到北面的數(shù)據(jù)，Z7,Z8,Z1得到東面的數(shù)據(jù)。本次拼接采用掃描儀自帶的scene軟件進(jìn)行拼接，選擇相鄰區(qū)域內(nèi)的一些點(diǎn)、面來進(jìn)行拼接。

點(diǎn)云拼接之后就是對點(diǎn)云進(jìn)行去噪，分為兩步，第一步是在scene軟件里進(jìn)行手動去噪，把一些明顯的噪點(diǎn)(如樹木、人、玻璃等)進(jìn)行手動刪除，如圖2所示，墻面的玻璃的位置處含有很多的噪點(diǎn)，對于這些噪點(diǎn)直接將其刪除，最后得到的點(diǎn)云如圖3所示，已經(jīng)把玻璃整塊刪除了，只剩下墻體的點(diǎn)云了，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到geomagic qualify軟件中進(jìn)行后續(xù)的去噪，采用該軟件去除一些非連接項(xiàng)和體外孤點(diǎn)等，這樣能夠去除肉眼看不到的一些噪點(diǎn)。

2.3 平整度計(jì)算

在geomagic qualify軟件中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行基于最小二乘原理的平面擬合，擬合后該軟件能夠自動計(jì)算出擬合平面的點(diǎn)位中誤差，其即為該面墻的平整度。由于篇幅所限，以東面墻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行演示，其點(diǎn)云擬合如圖4，圖5所示。由圖3可知該墻面各個(gè)位置的凹凸情況，不同顏色代表了該位置點(diǎn)到擬合平面的距離不同，總體來看該墻面還比較平整，只有右上角和中間有一小塊兒位置向外凸出，都在可接受的誤差范圍之內(nèi)。

按照上述方法，計(jì)算其他三面墻的平整度，最后計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 平整度計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，北面墻的平整度最大,東面墻的平整度最小，說明東面墻最平整，北面墻最凹凸不平。2014年，李杰等人[6]也采用了三維激光掃描儀對建筑物墻面的垂直度進(jìn)行了檢測，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，他們使用Matlab軟件，對墻面坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行選權(quán)迭代擬合，獲得精確的墻平面方程以及每一點(diǎn)到該擬合平面的距離，最后根據(jù)這些距離進(jìn)行墻面平整度的計(jì)算和分析，并根據(jù)這些值做成了距離統(tǒng)計(jì)直方圖和墻面平整情況分布圖，以此來反映檢測墻面的凹凸情況。而本文是采用的geomagic qualify軟件來對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最后得到的點(diǎn)云色差圖，在效果上與李杰等人最后得到的墻面平整情況分布圖一樣，都能很清楚直觀的反映出墻面的凹凸情況，但是本文對于數(shù)據(jù)處理和分析的方法更為簡單，效率更高，為后續(xù)的用三維激光掃描儀測量墻面的平整度做了一個(gè)借鑒。

3 結(jié)語

利用地面三維激光掃描儀不僅能快速的檢測出建筑物墻面的平整度，能清晰、直觀的知道墻面任何位置的凹凸情況，本次試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了三維激光掃描儀測量方法的不足之處，就是在對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪時(shí)，去噪的是否徹底，直接關(guān)系到最后平整度的計(jì)算結(jié)果。特別是建筑物上一般都會有許多玻璃，當(dāng)掃描儀的激光打在玻璃上時(shí)會產(chǎn)生反射和投射，這就使得在測量時(shí)產(chǎn)生大量的噪點(diǎn)，目前對這些噪點(diǎn)還只能手工剔除，給數(shù)據(jù)處理帶來很大的難度。隨著三維激光掃描點(diǎn)云軟件的數(shù)據(jù)處理能力的提高，那時(shí)這個(gè)問題將會得到更好的解決?？偠灾?，利用三維激光掃描儀做建筑物的平整度檢測是一個(gè)可行的方法，相信在不久的將來這一技術(shù)會普遍的應(yīng)用于建筑物的平整度檢測當(dāng)中。

[1] 楊學(xué)超,楊國林,郭 楠.基于免棱鏡全站儀對建筑物墻面平整度擬合算法的研究[J].礦山測量,2014(5):45-48.

[2] 蔡來良,吳 侃,張 舒.點(diǎn)云平面擬合在三維激光掃描儀變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2010,35(5):231-232.

[3] 賴文敬,肖景紅,顧 軒，等.高精度檢測瓷磚表面平整度[J].中國陶瓷,2014,50(10):52-56.

[4] 程效軍,唐劍波.基于最小二乘擬合的墻面平整度檢測方法[J].測繪信息與工程,2007,32(4):19-20.

[5] 曹 奇,岳東杰,楊 暢.三維激光掃描技術(shù)曲面擬合方法研究[J].測繪與空間地理信息,2014,37(8):104-106.

[6] 李 杰,程效軍.三維激光掃描儀在墻面平整度檢測中的應(yīng)用[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,35(4):13-17.

The 3D laser scanning technology based on building wall roughness detection

Li Guang Wu Changyue Feng Teng Wang Chunxin

(CollegeofMiningIndustryEngineering,TheNorthChinaUniversityofTechnology,Tangshan063000,China)

The paper describes the application of three-dimensional laser scanning technology in the architectural evenness detection, explores mathematical model, working procedure and point cloud data processing methods in detecting the architectural evenness with three-dimensional laser scanner, and points out its feasibility in detecting the architectural evenness.

architecture, evenness, three-dimensional laser scanning, point cloud data

1009-6825(2017)11-0204-02

2017-02-10

李 廣(1986- )，男，在讀碩士； 吳長悅(1971- ),男，高級工程師

P258

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