三維激光掃描技術(shù)在古塔傾斜測(cè)量中的應(yīng)用研究

程會(huì)平，梁爽，熊劍

(1.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022； 2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第二地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054)

三維激光掃描技術(shù)在古塔傾斜測(cè)量中的應(yīng)用研究

程會(huì)平1*，梁爽2，熊劍1

(1.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022； 2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第二地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054)

隨著文物保護(hù)事業(yè)的深度發(fā)展，文物保護(hù)的信息化、科學(xué)化水平逐步提高。三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描測(cè)繪技術(shù)，可以連續(xù)、自動(dòng)、快速獲取大量目標(biāo)地物表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有獲取數(shù)據(jù)量大、精度高、不接觸、全天候工作等優(yōu)勢(shì)。本文主要以陜西省某古塔為例，采用三維激光掃描測(cè)量技術(shù)獲取其在垂直方向的變形量，并利用全站儀測(cè)量的常規(guī)測(cè)量手段驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比分析，得出三維激光掃描技術(shù)能夠應(yīng)用于古塔傾斜測(cè)量。

三維激光掃描技術(shù)；古塔；傾斜測(cè)量

1 引 言

隨著文物保護(hù)事業(yè)的深度發(fā)展，文物保護(hù)的信息化、科學(xué)化水平逐步提高。信息化測(cè)繪技術(shù)作為重要技術(shù)手段和有效支撐，可以為文物保護(hù)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)[1]。

三維激光掃描技術(shù)(3D Laser Scanning Technology)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)、高精度、立體掃描測(cè)量技術(shù)。它是用三維激光掃描儀獲取目標(biāo)物表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，然后由獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造出目標(biāo)地物的三維模型的一種全自動(dòng)測(cè)量技術(shù)[2]。三維激光掃描技術(shù)可以連續(xù)、自動(dòng)、快速獲取大量目標(biāo)地物表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有獲取數(shù)據(jù)量大、精度高、不接觸、全天候工作等優(yōu)勢(shì)[3～5]。

本文主要采用三維激光掃描技術(shù)開(kāi)展古塔的傾斜測(cè)量研究工作，并以傳統(tǒng)的測(cè)繪方法驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性與可靠性，為古塔的傾斜測(cè)量提供一種新的技術(shù)手段。

2 技術(shù)路線(xiàn)

以陜西省某古塔作為研究對(duì)象，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)獲取古塔的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云的拼接、去噪等處理，獲取古塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并計(jì)算其垂直方向偏移角度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，在塔的周?chē)荚O(shè)控制點(diǎn)，采用全站儀測(cè)量的常規(guī)方式獲取該塔的垂直方向偏移角度，并以此作為基準(zhǔn)驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)獲取的古塔傾斜結(jié)果[6]，如圖1所示。通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在古塔傾斜測(cè)量中應(yīng)用的可行性。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 三維激光掃描技術(shù)測(cè)量古塔垂直方向偏移角度

(1)測(cè)量設(shè)備

應(yīng)用了徠卡ScanStation超高速三維激光掃描儀，掃描距離可達(dá) 270 m，測(cè)角精度8″，測(cè)距精度 1.2 mm+10 ppm，掃描速率高達(dá)1，000，000點(diǎn)/秒，系統(tǒng)精度指標(biāo)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)精度

(2)測(cè)量方法及結(jié)果

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)獲取了古塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開(kāi)展計(jì)算。在塔底的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處用水平面裁切，形成一個(gè)六邊形，通過(guò)計(jì)算獲取六邊形的中心O，在該中心處作垂線(xiàn)L。在塔頂五層處用水平面裁切，獲取該層六邊形平面的中心點(diǎn)A，作OA連線(xiàn)，計(jì)算OA與垂線(xiàn)L的夾角即為塔在垂直方向的偏移角度。計(jì)算示意圖如圖3所示。

通過(guò)計(jì)算，得出古塔在垂直方向的偏移角度為2.84°。

圖3 三維激光掃描測(cè)量偏移角度

3.2 常規(guī)測(cè)量方法驗(yàn)證

(1)測(cè)量設(shè)備

本次驗(yàn)證測(cè)量的等級(jí)為三級(jí)，精度±10.0 mm。采用了日本索佳全站儀，型號(hào)為SET230RK3，測(cè)角精度2″，測(cè)距精度 2 mm+2 ppm，測(cè)量?jī)x器參數(shù)如表1所示，本次驗(yàn)證過(guò)程及結(jié)果由該塔管理方提供。

(2)測(cè)量方法及結(jié)果

在塔周?chē)m當(dāng)位置布設(shè)了4個(gè)控制點(diǎn)，編號(hào)Z1、Z2、Z3、Z11，位置示意圖如圖4所示。

圖4 控制點(diǎn)位置示意圖

采用假設(shè)坐標(biāo)系統(tǒng)，以Z3點(diǎn)的磁北方向?yàn)檎狈较蚨ㄏ颍僭O(shè)Z3坐標(biāo)，用極坐標(biāo)法測(cè)出Z1、Z2、Z11的坐標(biāo)。然后分別在Z11、Z3控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，按極坐標(biāo)法實(shí)測(cè)塔底部各角細(xì)部坐標(biāo)(各點(diǎn)高度基本相同，高度為塔體接地面高度)，取塔底部各角細(xì)部坐標(biāo)的平均值作為塔底部中心坐標(biāo)。同理實(shí)測(cè)塔上部中心坐標(biāo)。塔的高度測(cè)量，采用全站儀兩次實(shí)測(cè)塔頂部高程，塔頂平均高程減去塔底各角平均高程即得到塔的高度 18.2 m。根據(jù)塔上部中心坐標(biāo)和塔底中心坐標(biāo)，可以計(jì)算出塔頂中心與塔底中心在水平投影面上的距離為 0.896 m，通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算獲取塔在垂直方向的偏移角度2.82°。偏移角度的計(jì)算方法如圖5所示。

圖5 塔偏移角度計(jì)算方法

3.3 結(jié)果分析

(1)三維激光掃描技術(shù)測(cè)量的古塔在垂直方向的偏移角度與常規(guī)方法相差0.02°。以常規(guī)方法測(cè)量的古塔高度 18.2 m作為基準(zhǔn)，塔身偏移在地面上的投影距離為：tan(2.84)×18.2=0.903 m，與常規(guī)方法相差 7 mm，考慮到誤差因素，兩種方法的測(cè)量結(jié)果基本一致。

(2)考慮到兩種方法本身的差異，為了減少塔頂選取位置等人為操作產(chǎn)生的干擾，只選取了古塔在垂直方向的偏移角度作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比因素。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，三維激光掃描技術(shù)能夠應(yīng)用在古塔傾斜測(cè)量方面開(kāi)展應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)某古塔開(kāi)展傾斜測(cè)量工作，并以常規(guī)的全站儀測(cè)量方法作為驗(yàn)證手段，通過(guò)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析，得出三維激光掃描技術(shù)能夠在古塔的傾斜測(cè)量中展開(kāi)應(yīng)用，精度能夠滿(mǎn)足要求。

三維激光掃描技術(shù)速度快，操作簡(jiǎn)單，非接觸式的測(cè)量方式，既減少了工作量，提高了效率，又對(duì)古塔等文物不造成破壞，有利于古塔等文物的保護(hù)。

[1] 李海泉，楊曉鋒，趙彥剛. 地面三維激光掃描測(cè)量精度的影響因素和控制方法[J]. 測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化，2011，27(1)：29～31.

[2] 劉廣輝，楊曉鋒，劉永雷等. 地面激光掃描技術(shù)用于考古發(fā)掘的研究[J]. 測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化，2013，29(2)：23～25.

[3] 周富強(qiáng)，吳艷，戴燦偉等. 三維激光掃描技術(shù)在渠坡凍脹監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2014(11)：129～132.

[4] 李婷峰，楊潤(rùn)萍. 基于地面三維激光掃描儀的丘陵地區(qū)地形快速測(cè)量[J]. 地礦測(cè)繪，2014(4)：20～22.

[5] 段煉，田滔. 基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪[J]. 城市建筑，2014(9)：368～368.

[6] 臧偉，錢(qián)林，孫寶軍等. 地面三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 北京測(cè)繪，2015(3)：130～135.

The Application Research of Tilt Measurement of Ancient Tower on 3D Laser Scanning Technology

Cheng Huiping1，Liang Shuang2，Xiong Jian1

(1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.，Ltd，Wuhan 430022，China；2.The Second Topographic Surveying Brigade of NASG，Xi’an 710054，China)

With the development of cultural relic protection，the level of information and scientific of cultural relics protection is gradually increasing. Three-dimensional laser scanning technology is a kind of advanced high-precision automatic scanning technology，which can capture a large number of three-dimensional point cloud data of surface of the target objects continuously，automatically and quickly with the advantages of large amounts of data，high precision，non-contact，all-weather work and so on. Taking the ancient tower in Shaanxi province as an example，the article applied three-dimensional laser scanning technology to obtain the deformation of the tower in the vertical direction，validated by measurements using conventional total station measurements and arrived at a conclusion that the three-dimensional laser scanning technology could apply in tilt measurement of ancient tower by comparing the results.

three-dimensional laser scanning technology；ancient tower；tilt measurement

1672-8262(2017)04-111-03

P234.4

B

2016—11—04

程會(huì)平(1986—)，女，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事工程測(cè)量、地理信息系統(tǒng)建設(shè)、遙感影像解釋及實(shí)踐工作。