基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用

王宗輝（甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020）

基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用

王宗輝（甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020）

建筑物變形監(jiān)測(cè)是建筑施工后期的一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)作業(yè)強(qiáng)度大、工作效率低等直接制約建筑物的基本應(yīng)用。三維激光掃描儀的工作模式能更好的替代傳統(tǒng)作業(yè)模式，文中通過(guò)實(shí)際案例分別應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)和全站儀技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)工作，對(duì)后期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，更直觀的反映出三維激光掃描技術(shù)在建筑物變形觀測(cè)工作中的可行性。

三維激光掃描技術(shù)；變形監(jiān)測(cè)；精度分析

1 引 言

建筑工程的質(zhì)量對(duì)社會(huì)的建設(shè)及人們的生命安全產(chǎn)生巨大的影響，因此提升建筑工程的質(zhì)量與安全是建筑行業(yè)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。而建筑物變形監(jiān)測(cè)是建筑施工后期的一項(xiàng)重要工作，為了保證建筑物在施工、使用和運(yùn)行中的安全，以及為建筑物的設(shè)計(jì)、施工管理及科學(xué)研究提供可靠的資料，需要對(duì)建筑物在運(yùn)行期間進(jìn)行穩(wěn)定性觀測(cè)[2]。由于建筑物在使用期間受力不均勻?qū)е陆ㄖ锇l(fā)生沉降、傾斜、裂縫甚至垮塌，將直接影響建筑物的使用壽命。故通過(guò)高精度的測(cè)繪工作，在建筑物正常使用過(guò)程中監(jiān)測(cè)其變形值，確保建筑物的正常使用是施工后期的一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的建筑物變形監(jiān)測(cè)手段主要通過(guò)水準(zhǔn)儀、全站儀及GPS等儀器采集單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行變形分析，工作程序復(fù)雜、工作效率低等因素制約了建筑物變形監(jiān)測(cè)工作。三維激光掃描技術(shù)是繼GPS空間定位技術(shù)之后的又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)革命，通過(guò)高精度、高速度的三維數(shù)據(jù)獲取模式，大量應(yīng)用于城市三維建模、隧道監(jiān)測(cè)、橋梁測(cè)繪、建筑及古跡測(cè)量等工程項(xiàng)目。隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，由逐點(diǎn)掃描的工作模式發(fā)展成為面掃描的模式，也為我們通過(guò)三維掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物的變形監(jiān)測(cè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

三維激光掃描儀主要部件為激光發(fā)射器和接收器，利用發(fā)射器發(fā)射激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面反射，反向同路徑傳送至接收器，獲取距離D；控制編碼器同步橫向掃描角度觀測(cè)值（即水平角）和縱向掃描角度觀測(cè)值β（仰角或俯角），推算坐標(biāo)方位角和豎直角，結(jié)合測(cè)站坐標(biāo)，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)（X,Y,H ）。計(jì)算方法為：

具體工作原理和坐標(biāo)計(jì)算原理見(jiàn)圖1、圖2。

圖 1 三維激光掃描儀工作原理

3 三維激光掃描技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

按照傳統(tǒng)的建筑物變形監(jiān)測(cè)是對(duì)建筑物進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量以觀測(cè)建筑物的沉降變形值，全站儀觀測(cè)坐標(biāo)以確定建筑物的位移變形值，進(jìn)而對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，其重在發(fā)現(xiàn)建筑物的關(guān)鍵點(diǎn)變形，無(wú)法體現(xiàn)建筑物的局部變形和整體變形。三維激光掃描技術(shù)對(duì)建筑物的表面采集周期性、全面性點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以立體的三維建模軟件為展現(xiàn)平臺(tái)，構(gòu)建建筑物的三維立體模型，更有效、更直觀的反映建筑物的變形數(shù)據(jù)和變形趨勢(shì)。

圖2 三維激光掃描儀坐標(biāo)計(jì)算原理

圖3 工作基點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)分布圖

本次研究為了突出其應(yīng)用性，主要以學(xué)院新建的教學(xué)樓為研究對(duì)象。該樓房為八層主體建筑，周?chē)鸁o(wú)其他建筑遮擋，北面為操場(chǎng)，南面為小廣場(chǎng)，地面平整，觀測(cè)時(shí)間為中午，避免人員等外界環(huán)境的影響。三維激光掃描全部采用掃描測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了提升觀測(cè)精度，觀測(cè)過(guò)程中使用天寶OverScan功能。同時(shí)為了檢驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)精度，在關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置十字標(biāo)記，利用0.5″全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析三維激光掃描儀和全站儀的精度差異。具體使用的儀器參數(shù)見(jiàn)表1。

依據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范(JGJ8－2016)》的基本要求，在觀測(cè)前期利用GPS靜態(tài)工作模式和二等水準(zhǔn)測(cè)量工作模式分別采集基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)。主要工作基點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位分布見(jiàn)圖3。

將全站儀和三維激光掃描儀分別假設(shè)在J1、J2…J6等工作基點(diǎn)上,A、B、C、D點(diǎn)為精確觀測(cè)點(diǎn)，布設(shè)觀測(cè)標(biāo)志。應(yīng)用全站儀精密觀測(cè)A、B、C、D點(diǎn)，每次觀測(cè)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理；同時(shí)利用天寶GX三維激光掃描儀掃描整個(gè)建筑物，并且對(duì)A、B、C、D點(diǎn)進(jìn)行精確掃描，以獲取公共點(diǎn)精確數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。依據(jù)觀測(cè)方案，2015年6月1日、2015年12月1日、2016年6月1日和2016年12月1日分別進(jìn)行了完整的數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，全站儀數(shù)據(jù)依據(jù)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理思路進(jìn)行常規(guī)分析。三維激光掃描儀數(shù)據(jù)利用天寶公司的RealWorks Survey Advanced點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由于掃描過(guò)程中測(cè)量環(huán)境、監(jiān)測(cè)對(duì)象的表面反射率及人工操作的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。所以數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，利用KDTree的點(diǎn)云去噪算法、雙邊濾波[采空區(qū)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法,基于雙邊濾波的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法]等方法處理數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)[3-4]，進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾，確保數(shù)據(jù)的精度和密度，進(jìn)而建立三維模型，對(duì)目標(biāo)建筑物進(jìn)行變形分析，繪制變形線(xiàn)。

圖 4 全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位變形線(xiàn)

表1 全站儀和三維激光掃描儀參數(shù)總表

表2 A點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比表

表3 全站儀和三維掃描儀坐標(biāo)數(shù)據(jù)差值一覽表

4 精度分析

三維激光掃描儀的主要誤差來(lái)源有：激光測(cè)距誤差、掃描角度的誤差、目標(biāo)物體反射面誤差、多路徑效應(yīng)以及外界環(huán)境的影響[5]。通過(guò)降噪處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云過(guò)濾、匹配顏色、多站自動(dòng)拼接等數(shù)據(jù)處理過(guò)程，獲取目標(biāo)建筑物中A、B、C、D四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而比對(duì)全站儀采集數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)，以A點(diǎn)數(shù)據(jù)為例對(duì)比見(jiàn)表2。

分別對(duì)A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的觀測(cè)次數(shù)進(jìn)行比較，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

通過(guò)表3可以明確發(fā)現(xiàn)。在利用全站儀和三維激光掃描儀進(jìn)行變形觀測(cè)過(guò)程中，其誤差值完全可以滿(mǎn)足建筑物變形監(jiān)測(cè)的需要。同時(shí)，三維激光掃描儀具備全站儀等傳統(tǒng)觀測(cè)方法更多的優(yōu)勢(shì)，例如非接觸式測(cè)量、速度快、工作強(qiáng)度低以及點(diǎn)位組成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可構(gòu)建三維模型，更直觀的反映出建筑物的變形特點(diǎn)和變形趨勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)詳細(xì)試驗(yàn)案例，分析對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：1）三維激光掃描儀的出現(xiàn)不僅改變了現(xiàn)有測(cè)繪數(shù)據(jù)的采集模式，而且在數(shù)據(jù)的應(yīng)用上更直觀、更詳盡，在數(shù)據(jù)的挖掘上更能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值；2）三維激光掃描儀通過(guò)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以提供建筑模型數(shù)據(jù)、建筑平面圖和剖面圖、點(diǎn)云漫游視頻、模型漫游視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽、實(shí)景漫游瀏覽、三維GIS應(yīng)用等，更直觀的對(duì)建筑物數(shù)據(jù)進(jìn)行整體評(píng)價(jià)應(yīng)用；3）三維激光掃描儀在變形監(jiān)測(cè)中具有一定的可行性，更加方便應(yīng)用于實(shí)際，能夠及時(shí)預(yù)報(bào)建筑的變形趨勢(shì)，確保建筑的安全使用。

[1]彭彥輝.建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督潛在問(wèn)題分析.中國(guó)建材科技.2016（05）

[2]梁正軍.實(shí)施沉降觀測(cè),確保建筑安全.科學(xué)之友.2012（12）

[3]陳凱，張達(dá)，張?jiān)?采空區(qū)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法.2013（08）

[4]公羽，呂志鵬. 基于雙邊濾波的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法 .2016（01）

[5]楊忞婧.地面三維激光掃描儀的測(cè)量誤差分析.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2013（06）

Application of building deformation monitoring based on 3d laser scanning technology

Building deformation monitoring is an important work in construction survey.The traditional deformation monitoring work intensity is big,the work efficiency is low and restricts the basic application of the building directly.3D laser scanner can better replace the traditional mode of operation.In this paper,the three-dimensional laser scanning technology and the total station technology are used to monitor the deformation of the building,and the contrastive analysis of the later data is more intuitive.The Feasibility of 3D Laser Scanning Technology in Building Deformation Observation.

3D laser scanning technology；deformation monitoring；accuracy analysis

TU74文獻(xiàn)辨識(shí)碼：B

：1003-8965(2017)02-0070-03

甘肅省教育廳科研項(xiàng)目,編號(hào)：20158-157