應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)高層建筑整體變形

桂芳茹

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽(yáng) 618000)

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)國(guó)際上出現(xiàn)的一種應(yīng)用效果較佳的高新技術(shù)，該技術(shù)既能夠掃描復(fù)雜的作業(yè)空間和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，又能夠完整采集各類非標(biāo)準(zhǔn)、不規(guī)則、復(fù)雜、大型的實(shí)景或者實(shí)體三維數(shù)據(jù)，并且還可以在短時(shí)間之內(nèi)快速重構(gòu)出各種制圖數(shù)據(jù)(如空間、線、體、面等)以及三維模型[1]。從目前來(lái)看，三維激光掃描技術(shù)在地下礦產(chǎn)勘測(cè)、考古測(cè)量存檔、考古測(cè)量建檔、建筑物三維重建等方面的應(yīng)用前景較為廣泛，被大量應(yīng)用于各種事故調(diào)查、歷史古跡恢復(fù)、工程測(cè)量等領(lǐng)域中[2]，但鮮有應(yīng)用于高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)。本文就高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 三維激光掃描系統(tǒng)的原理

三維激光掃描系統(tǒng)是一種新型三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，集成多種高新技術(shù)，測(cè)量方式為非接觸式高速激光，復(fù)雜物體表面、地形表面均可采用點(diǎn)云形式來(lái)進(jìn)行獲取。其主要包括儀器內(nèi)部校正系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、CCD 數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)、支架系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)等[3]。

從目前來(lái)看，TOF 脈沖測(cè)距法是三維激光掃描系統(tǒng)的主要測(cè)距方法，如圖 1 所示。測(cè)距觀測(cè)值S可通過(guò)脈沖測(cè)距法獲得，縱向掃描角度觀測(cè)值θ和橫向掃描角度觀測(cè)值α可通過(guò)精密時(shí)鐘控制編碼器來(lái)予以同步測(cè)量。三維激光掃描系統(tǒng)通常都采用內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行掃描測(cè)量[3]，其中，橫向掃描面內(nèi)有X軸、Y軸，X軸與Y軸垂直，而Z軸不在橫向掃描面內(nèi)，但垂直于橫向掃描面。通過(guò)這樣的方式，坐標(biāo)(Xs，Ys，Zs)的計(jì)算公式如公式(1)所示：

(1)

圖1 采用脈沖測(cè)距法的三維激光點(diǎn)坐標(biāo)

2 變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

通過(guò)多年的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，目前已經(jīng)基本解決了三維激光掃描技術(shù)的硬件技術(shù)問(wèn)題，并且還出現(xiàn)了大量三維激光掃描數(shù)據(jù)后處理軟件、三維激光掃描硬件系統(tǒng)，應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在變形監(jiān)測(cè)中也利用了三維激光掃描技術(shù)，例如：羅德安等人[4]對(duì)變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、技術(shù)弊端、可行性等進(jìn)行了研究，認(rèn)為應(yīng)該大力開(kāi)展相應(yīng)的整體形變監(jiān)測(cè)研究。長(zhǎng)安大學(xué)對(duì)黃河小浪底樞紐工程2號(hào)滑坡體采用三維激光掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，掃描設(shè)備采用地面三維激光掃描儀(型號(hào)為徠卡ScanStation2 )。趙群等人[5]對(duì)北京市國(guó)家體育館大跨度鋼屋架滑移過(guò)程中的變形情況采用了三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。總的來(lái)說(shuō)，三維激光掃描技術(shù)大多應(yīng)用于監(jiān)測(cè)基坑、構(gòu)筑物、滑坡等，雖然目前鮮有應(yīng)用于高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)案例，但不能就此忽視，高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。

3 高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描系統(tǒng)的常見(jiàn)誤差分析

基于誤差產(chǎn)生理論來(lái)看，三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)量誤差可分為兩大類，分別是偶然誤差與系統(tǒng)誤差。偶然誤差主要是指測(cè)量過(guò)程中所出現(xiàn)的不可預(yù)期的隨機(jī)性誤差，而系統(tǒng)誤差主要是指測(cè)量過(guò)程中所出現(xiàn)的掃描點(diǎn)坐標(biāo)偏差。究其原因，主要為3大類，環(huán)境條件影響產(chǎn)生的誤差(空氣、氣壓、溫度等影響)；掃描目標(biāo)相關(guān)誤差(物體表面粗糙度、光束交角等影響)、儀器系統(tǒng)誤差(測(cè)角誤差、測(cè)距誤差等)。本文以高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描系統(tǒng)的幾種常見(jiàn)誤差進(jìn)行分析。

(1)激光測(cè)距影響

在各個(gè)處理環(huán)節(jié)中，激光測(cè)距信號(hào)或多或少均會(huì)出現(xiàn)一些誤差，但主要誤差為不確定測(cè)距間隔而導(dǎo)致出現(xiàn)的誤差，以及掃描儀脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差。

(2)掃描角影響

掃描角會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)掃描電機(jī)非均勻轉(zhuǎn)動(dòng)誤差、掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)震動(dòng)誤差以及掃描鏡的鏡面平面角誤差等。

(3)外界環(huán)境條件影響

空氣、氣壓、溫度等因素均會(huì)影響到高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)的精度，具體體現(xiàn)在：空氣中激光的傳播方向，掃描儀表受到風(fēng)的振動(dòng)影響，儀器受到溫度變化的細(xì)微影響等。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

某小區(qū)建設(shè)在采空區(qū)上方，房屋與工作面井上下對(duì)照如圖2所示，工作面實(shí)際走向開(kāi)采長(zhǎng)度為 325m，開(kāi)采深度為 450m～500 m，平均煤層傾角為10°，平均采厚為2.6 m，房屋A、B、C為10層高的高層建筑，其中，房屋A位于采空區(qū)外邊緣，房屋B位于采空區(qū)中部，房屋C位于采空區(qū)內(nèi)邊緣。

圖2 房屋與工作面井上下對(duì)照?qǐng)D

4.2 測(cè)量方法

測(cè)量?jī)x器選擇Trimble GX200 三維激光掃描儀，掃描工作面開(kāi)采前后房屋A、B、C的點(diǎn)云，以此來(lái)獲得其移動(dòng)變形情況。高層建筑的移動(dòng)變形情況包括兩大類，即相對(duì)變形與絕對(duì)變形。相對(duì)變形是指房屋A、B、C基于某一點(diǎn)開(kāi)采前后墻體相對(duì)的傾斜、拉伸或壓縮情況；絕對(duì)變形是指房屋A、B、C相對(duì)于某一特征點(diǎn)或者某一坐標(biāo)系開(kāi)采前后的位移情況。

由于同名特征點(diǎn)在開(kāi)采前后往往會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)識(shí)別算法，所以，本文對(duì)同名特征點(diǎn)的絕對(duì)變形量采用手動(dòng)量取的方式。值得注意的是，為了最大限度地降低手動(dòng)量取的誤差，本文采取多次量取、最終取平均值的方法，并且還對(duì)特征點(diǎn)區(qū)的點(diǎn)云密度進(jìn)一步加大。特征點(diǎn)選擇為房屋角點(diǎn)，房屋 A、B、C 原始特征點(diǎn)移動(dòng)數(shù)據(jù)則通過(guò)測(cè)量對(duì)應(yīng)邊絕對(duì)長(zhǎng)度及對(duì)應(yīng)點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)變形來(lái)獲取。房屋 A、B、C 特征點(diǎn)移動(dòng)變形量如表1所示。

樞紐及防洪配套工程年運(yùn)行費(fèi)按投資2.5%計(jì)，后續(xù)灌區(qū)配套工程按其投資4%計(jì)，防洪、養(yǎng)殖等配套工程按其投資5%計(jì)［2］，則正常年份年運(yùn)行費(fèi)32.77萬(wàn)元。

表1 房屋A、B、C特征點(diǎn)移動(dòng)變形量

說(shuō)明：UX、UY、W、l0、l1為特征點(diǎn)量取數(shù)據(jù)，量取3次；ε、i為間接計(jì)算數(shù)據(jù)。

4.3 精度評(píng)定

各移動(dòng)量的讀取中誤差mdk為:

(2)

基于公式(1-2)計(jì)算出來(lái)的房屋 A、B、C各移動(dòng)變形量中誤差如表2所示。其中，相同的讀取中誤差md為：

(3)

表2 房屋A、B、C各移動(dòng)變形量中誤差

說(shuō)明：UX、UY、W、l0、l1為等精度觀測(cè)，量取中誤差同為md；ε、i為間接計(jì)算數(shù)據(jù)，按照誤差傳播理論計(jì)算。

可通過(guò)間接計(jì)算的方式來(lái)獲取傾斜值及水平變形值，其計(jì)算及精度評(píng)定公式如下。

水平變形值ε為：

(4)

水平變形誤差傳播計(jì)算公式為：

(5)

(6)

其中，水平變形中誤差mε為：

(7)

傾斜值i的計(jì)算公式為：

(8)

傾斜誤差傳播計(jì)算公式為：

(9)

(10)

其中，傾斜中誤差mi為：

(11)

4.4 移動(dòng)變形規(guī)律分析

(1)房屋A出現(xiàn)一定程度的下沉現(xiàn)象，下沉深度為332mm～384mm，且建筑物整體向西南移動(dòng)，向西移動(dòng)292mm，向南移動(dòng)290mm，平均矢量位移為530mm。與此同時(shí)，房屋A沒(méi)有出現(xiàn)較大幅度的水平變形，水平變形最大值為0.8mm/m。此外，房屋A向西南整體傾斜，最大傾斜度為7.5mm/m。

(2)房屋B出現(xiàn)了嚴(yán)重的下沉現(xiàn)象，下沉深度為1692mm～1752mm，且建筑物向西移動(dòng)539mm，向南移動(dòng)247mm，平均矢量位移為1793mm。與此同時(shí)，房屋B沒(méi)有出現(xiàn)較大幅度的水平變形，水平變形最大值為-1.5mm/m；房屋B的最大傾斜度為6.9mm/m。

(3)房屋C出現(xiàn)了嚴(yán)重的下沉現(xiàn)象，下沉深度為1995mm～2220mm，且建筑物向西移動(dòng)116mm，向北移動(dòng)510mm，平均矢量位移為2063mm。與此同時(shí)，房屋C沒(méi)有出現(xiàn)較大幅度的水平變形，最大拉伸變形為2.9mm/m，最大壓縮變形為2.7mm/m。此外，房屋C向西北整體傾斜，最大傾斜度為21.5mm/m。

(4)基于采空區(qū)中心與高層建筑之間的位置關(guān)系來(lái)看，高層建筑若與采空區(qū)中心之間的距離越近，那么高層建筑整體下沉深度就越大；高層建筑若與采空區(qū)中心之間的距離越遠(yuǎn)，那么高層建筑整體下沉深度就越小。高層建筑整體都會(huì)存在向采空區(qū)中心位置移動(dòng)的趨勢(shì)，且位于采空區(qū)內(nèi)部邊緣的高層建筑和位于采空區(qū)中部的高層建筑的移動(dòng)較大。高層建筑整體都會(huì)存在著向采空區(qū)中心位置傾斜的趨勢(shì)，且位于采空區(qū)內(nèi)部邊緣的高層建筑的傾斜較大。通過(guò)實(shí)地到房屋A、B、C進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)房屋A、B、C并未出現(xiàn)較為明顯的破壞情況，這與掃描結(jié)果顯示房屋水平變形較小的結(jié)論相同。

5 結(jié)論

(1)總的來(lái)說(shuō)，三維激光掃描技術(shù)大多應(yīng)用于監(jiān)測(cè)基坑、構(gòu)筑物、滑坡等，雖然鮮有應(yīng)用于高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)實(shí)例，但不能就此否定，高層建筑整體變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用具有一定的實(shí)踐工程意義。

(2)利用三維激光掃描儀能夠有效提取房屋特征點(diǎn)，可以獲得其移動(dòng)變形情況，而且實(shí)測(cè)表明，所測(cè)得的房屋移動(dòng)變形值精度較高，完全符合地表沉陷監(jiān)測(cè)的相應(yīng)要求。

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