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

朱曙光 聶松廣

摘要：論文通過利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)某建筑物進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)，求取了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平和垂直位移量，通過點(diǎn)云匹配比對(duì)分析獲取了建筑物的整體變形信息，同時(shí)通過兩次掃描數(shù)據(jù)和全站儀傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行了比較，驗(yàn)證分析了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物變形監(jiān)測(cè)的可行性及精度。

Abstract： The paper uses 3D laser scanning technology to scan and monitor a building， and obtains the horizontal and vertical displacement of the monitoring point. The point cloud matching analysis is used to obtain the overall deformation information of the building， and through two scans， the data is compared with the traditional measurement method of the total station， and the feasibility and accuracy of the 3D laser scanning technology applied to the building deformation monitoring are verified and analyzed.

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；數(shù)據(jù)處理；變形監(jiān)測(cè)

Key words： 3D laser scanning；data processing；deformation monitoring

中圖分類號(hào)：O348.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）31-0259-03

0 引言

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法是基于固定有限的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，只能反映建筑的局部形變情況，而三維激光掃描技術(shù)是繼全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后的又一次重大技術(shù)變革，打破了傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量模式，不需接觸被測(cè)物體就可以每秒上百萬個(gè)點(diǎn)速度和高精度的獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)，同時(shí)通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理構(gòu)建建筑物的三維模型，將各期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成的模型進(jìn)行比對(duì)分析，可以直觀清晰的顯示檢測(cè)對(duì)象不同部位和整體變形情況。

1 三維激光掃描工作原理

三維激光掃描儀是利用掃描模塊的脈沖計(jì)時(shí)裝置記錄測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射器從發(fā)射激光束到掃描目標(biāo)后反射回的時(shí)間差，然后根據(jù)根據(jù)光速和信號(hào)傳播時(shí)間可以計(jì)算出掃描點(diǎn)到儀器的距離值S。

利用掃描模塊的測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)棱鏡的反射作用射向被測(cè)物體，探測(cè)器接收并記錄脈沖信號(hào)由發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，根據(jù)光速和信號(hào)傳播時(shí)間可以計(jì)算出掃描點(diǎn)到儀器的距離值S，同時(shí)觀測(cè)出每個(gè)激光脈沖橫向和縱向掃描角度的觀測(cè)值α和β，然后內(nèi)部運(yùn)算程序依據(jù)公式（1）可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)云的坐標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)采集

為了便于點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同傳統(tǒng)方法對(duì)比，采集數(shù)據(jù)之前在監(jiān)測(cè)建筑物周圍使用全站儀通過任意設(shè)站的方式測(cè)設(shè)了4個(gè)平面高程控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的選擇應(yīng)考慮建筑物的空間分布和四周障礙物的遮擋情況，保證相鄰測(cè)站的掃描區(qū)域有重疊部分。為了和傳統(tǒng)方法對(duì)比驗(yàn)證三維激光掃描的單點(diǎn)定位精度，在建筑物墻壁上布設(shè)了6個(gè)標(biāo)靶，然后依次在4個(gè)控制點(diǎn)上設(shè)站并進(jìn)行了掃描。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

3.1 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接將多個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一基準(zhǔn)坐標(biāo)系下組成一個(gè)完整點(diǎn)云，其拼接方法有標(biāo)靶拼接、點(diǎn)云拼接、控制點(diǎn)拼接和混合拼接四種。本次實(shí)驗(yàn)因?qū)崿F(xiàn)布設(shè)了控制點(diǎn)，在掃描時(shí)均進(jìn)行了測(cè)站設(shè)置與定向，掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已處于同一基準(zhǔn)下，無需進(jìn)行點(diǎn)云拼接。

3.2 點(diǎn)云去噪

在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的時(shí)候，由于受儀器精度、被測(cè)物體表面質(zhì)量、外部環(huán)境等因素的影響，必然會(huì)出現(xiàn)一些測(cè)量誤差比較大的點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為噪聲點(diǎn)，它們會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)本身和后續(xù)建模的精度，因此必須把這些噪聲點(diǎn)剔除掉。工作中采用利用處理軟件通過設(shè)置合適的參數(shù)或者眼睛直接判斷來進(jìn)行刪除，另外在采集數(shù)據(jù)前應(yīng)合理設(shè)置掃描參數(shù)、避開人員、車輛等障礙物來盡可能減少噪聲點(diǎn)。

3.3 點(diǎn)云濾波

去除噪聲后的點(diǎn)云不僅數(shù)據(jù)量大，而且占用大量內(nèi)存，嚴(yán)重影響下一步數(shù)據(jù)處理和建模的反應(yīng)速度，因此在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化和平滑處理，其處理過程也是根據(jù)實(shí)際用途和要求合理地設(shè)置濾波參數(shù)通過人機(jī)交互的方式來完成。

4 三維建模

本次實(shí)驗(yàn)主要是將cyclone中進(jìn)行拼接和去噪濾波處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以（*.xyz）格式輸出，然后導(dǎo)入到Geomagic studio中來進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。利用Geomagic studio構(gòu)建建筑物三維模型一般需要點(diǎn)、多邊形和曲面3個(gè)階段。

4.1 點(diǎn)階段

點(diǎn)階段主要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色、去除噪聲、點(diǎn)云重采樣及封裝等處理，為建立模型奠定基礎(chǔ)。前面已利用cyclone軟件完成點(diǎn)階段的工作，為了提高建模精度，這里可以再次對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，這里不再詳細(xì)介紹。

4.2 多邊形階段

多邊形階段主要是創(chuàng)建多邊形網(wǎng)格，在外業(yè)掃描時(shí)因目標(biāo)自身表面反射情況不同及障礙物遮擋會(huì)造成局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，從而在構(gòu)建多邊形格網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)一些孔洞或缺口，為了保證三維點(diǎn)云信息的完整性和構(gòu)建模型的精度，就需要對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)，最后在保證數(shù)據(jù)不失真的前提下對(duì)多邊形進(jìn)行簡(jiǎn)化和光滑處理，以減小數(shù)據(jù)量，提高計(jì)算機(jī)反應(yīng)速度。

4.3 曲面階段

曲面階段是在多邊形階段編輯完成以后通過探測(cè)和提取輪廓線并對(duì)其編輯處理移動(dòng)到正確位置，再構(gòu)造曲面片和柵格，對(duì)排列不合理的進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，然后通過擬合曲面功能生成一個(gè)連續(xù)的Nurbs曲面。

5 建筑物變形與掃描精度分析

5.1 建筑物變形分析

5.1.1 基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建筑物變形分析

基于離散點(diǎn)的建筑物變形分析是常規(guī)的固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方法，本次實(shí)驗(yàn)通過于2017年9月和2017年11月兩次掃描建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后提取出同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出建筑物的變形數(shù)據(jù)，見表1。

從表1中可看出建筑物沉降位移情況，其中沉降量最大點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)J6，沉降量為9mm，最小為J2點(diǎn)，沉降量為3mmm，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移北坐標(biāo)方向最大值為11mm，最小值為3mm；東坐標(biāo)方向最大值為6mm，最小值為2mm；綜合分析可得該建筑物整體向西北方向發(fā)生位移變化，具體位移情況見表2。

5.1.2 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物整體變形分析

利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)可以全方位、全自動(dòng)的獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，整體監(jiān)測(cè)是利用Cyclone軟件對(duì)前后兩次建筑物的整體合并數(shù)據(jù)進(jìn)行整體配準(zhǔn)，配準(zhǔn)方法可以采用基于控制點(diǎn)特征的配準(zhǔn)方法，這種方法對(duì)于大場(chǎng)景的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度較高。通過前后兩次數(shù)據(jù)的比對(duì)可以清楚地展示出待測(cè)物體各個(gè)部位變形的大小，得到待測(cè)物體整體變形的信息，可以提高工作效率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法的片面性和局限性。

5.2 掃描結(jié)果精度分析

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量標(biāo)靶精確掃描之后提取了標(biāo)靶中心的點(diǎn)位坐標(biāo)，同時(shí)用全站儀采用坐標(biāo)測(cè)量方法對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行了觀測(cè)得到了兩期全站儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)兩種方法得到的誤差數(shù)據(jù)計(jì)算分析三維激光掃描儀的測(cè)量精度。兩期的數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

從表3中全站儀和三維激光掃描儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)比較得知，北坐標(biāo)方向最大差值為8mm，最小為2mm；東坐標(biāo)方向最大差值為9mm，最小值為3mm；高程最大差值為7mm，最小為3mm。點(diǎn)位中誤差為7.56mm，高程中誤差為5.63mm。兩種方法測(cè)量結(jié)果差值較大，由于三維激光掃描儀和全站儀都存在對(duì)中、整平等誤差的影響，都不能視為真值，所以三維激光掃描儀和全站儀的監(jiān)測(cè)對(duì)比中，本身儀器固有的系統(tǒng)誤差都不能夠有效消除。為了進(jìn)一步驗(yàn)證三維激光掃描精度，又分別在同一測(cè)站連續(xù)架設(shè)兩次儀器和連續(xù)進(jìn)行兩次定向進(jìn)行了掃描，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后者測(cè)得的坐標(biāo)精度高，點(diǎn)位和高程中誤差均不超過1.5mm，主要因?yàn)橄藘x器的對(duì)中整平誤差、儀器量取誤差和部分系統(tǒng)誤差的影響。

6 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)克服了基于固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)手段的片面性，可以快速掃描得到高精度的海量建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以滿足變形監(jiān)測(cè)的基本要求，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和分析，可以直觀地得到建筑物的整體或局部變形信息。但通過不同時(shí)期地建筑物重建模型來進(jìn)行整體比分析時(shí)，就需要精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和構(gòu)建高精度的三維模型，這方面還有很多的提升空間。在實(shí)踐工作中應(yīng)當(dāng)根據(jù)工作要求，將三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量手段相結(jié)合，可以取長補(bǔ)短、充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到更好的效果。

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