基于地面三維激光掃描技術(shù)的建筑變形監(jiān)測研究

凌進(jìn)新

摘 要：為研究地表和空間對象點(diǎn)、線、面、體的形變特征，達(dá)到有效的預(yù)防和控制，常采用變形監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究，鑒于三維激光掃描技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，可用于傳統(tǒng)監(jiān)測手段嚴(yán)重受限的特殊領(lǐng)域。本文通過介紹地面三維激光掃描技術(shù)變形監(jiān)測的原理，以某建筑工程為例，研究分析了地面三維激光掃描技術(shù)在該工程中的監(jiān)測實(shí)施過程，并對誤差進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。研究表明，在古建筑領(lǐng)域利用三維激光掃描技術(shù)有不可替代的優(yōu)勢。

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

中圖分類號：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0059-02

1 項(xiàng)目概況

如圖1所示，大鐘及其相關(guān)建筑是一處文物古跡，古鐘鐘架是大鐘的主要支撐及受力系統(tǒng)，由于各種環(huán)境因素的影響，目前出現(xiàn)了腐蝕、蟲蛀、開裂、掉皮等多種影響鐘架的受力情形。此外，受到季節(jié)性溫度、濕度變化影響，承重結(jié)構(gòu)體必然會出現(xiàn)周期性的形變，為了全面把握鐘架的形變情況，從而根據(jù)這些形變信息對鐘架承重結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行科學(xué)評估，決定開展鐘架承重結(jié)構(gòu)的形變監(jiān)測。

2 作業(yè)流程

該項(xiàng)目變形監(jiān)測工期較長，需進(jìn)行多次重復(fù)性監(jiān)測，并分期比對監(jiān)測數(shù)據(jù)。實(shí)施步驟包括控制點(diǎn)的選取及埋設(shè)、控制測量、變形監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用等，每一環(huán)節(jié)都必須按照規(guī)范化的操作來控制其成果質(zhì)量，涉及的主要工作流程見圖2所示。

根據(jù)要求，該監(jiān)測項(xiàng)目需完成以下工作：

（1）建立室外永久性高精度控制點(diǎn)3～5個(gè)。

（2）建立室內(nèi)地面臨時(shí)控制標(biāo)志若干，用于控制傳遞。

（3）建立三維激光測量用高精度控制網(wǎng)。

（4）通過高精度三維激光掃描技術(shù)獲取待監(jiān)控的梁和柱的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）通過測量機(jī)器人獲取永樂大鐘表面特征點(diǎn)、線的控制參數(shù)。

（6）對影像進(jìn)行處理，獲取高精度三維模型，通過模型比較獲得相應(yīng)變形量。

（7）變形量比對及變形成果的整理輸出。

3 控制點(diǎn)布設(shè)

該變形監(jiān)測需先建立控制網(wǎng)，為保證網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定性，控制網(wǎng)應(yīng)遠(yuǎn)離變形監(jiān)測對象。該控制網(wǎng)布設(shè)在鐘樓的南面，由5個(gè)點(diǎn)組成，形成一個(gè)扇形的網(wǎng)絡(luò)，控制測量采用了高精度的測量機(jī)器人和電子水準(zhǔn)儀，具體實(shí)施內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

（1）控制點(diǎn)設(shè)置5個(gè)，用10～20cm長、直徑為1～2cm的鋼筋設(shè)置，頂部應(yīng)有標(biāo)示。

（2）用測量機(jī)器人測定邊長和角度，用電子水準(zhǔn)儀測定高程。

（3）采用自由設(shè)站后方交互設(shè)置臨時(shí)轉(zhuǎn)點(diǎn)TP，至少觀測4～5個(gè)方向。

（4）變形監(jiān)測方案一：F1、F2為實(shí)際變形監(jiān)測點(diǎn)，無需設(shè)點(diǎn)，每次臨時(shí)選設(shè)即可，該點(diǎn)三維坐標(biāo)需通過臨時(shí)轉(zhuǎn)點(diǎn)獲得，且至少通過2個(gè)方向轉(zhuǎn)設(shè)而成，以便校驗(yàn)及取均值；通過F1、F2測定承重鐘架底面變形點(diǎn)，每個(gè)底面設(shè)置3排點(diǎn)，橫向?qū)挾染?，縱向按間隔20～30cm采點(diǎn)即可。該監(jiān)測方案是通過F1、F2和TP三個(gè)點(diǎn)將坐標(biāo)傳遞到外面的控制網(wǎng)坐標(biāo)體系中，因此這3個(gè)點(diǎn)每次都是臨時(shí)選擇，無需保留，但因每次傳遞都會增加誤差，測量過程中務(wù)必精心操作。

（5）變形監(jiān)測方案二：每期變形監(jiān)測在掃描場景中設(shè)置若干個(gè)標(biāo)靶，通過轉(zhuǎn)點(diǎn)TP直接測定各標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，這樣可將不同時(shí)間測定的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到室外的坐標(biāo)控制網(wǎng)中，從而達(dá)到比對的目的，該方法具有更大的靈活性。

（6）控制網(wǎng)所有角度測2～3測回，邊長對向觀測，儀器高量測三個(gè)方向取均值，高程采用電子水準(zhǔn)儀測2測回。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集重點(diǎn)在于保障不同時(shí)期測定的數(shù)據(jù)具有可比性，主要信息在于目標(biāo)變形量的獲取，對于其他數(shù)據(jù)要求不高，如紋理只起到輔助分析作用，因此，重點(diǎn)在于標(biāo)靶的三維坐標(biāo)獲取。標(biāo)靶在這里至關(guān)重要，它有兩個(gè)主要功能，一是連接同一時(shí)期測量的多個(gè)測站，將其數(shù)據(jù)拼接在一起，見圖3所示；另一個(gè)重要功能是實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的統(tǒng)一，以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)期的監(jiān)測數(shù)據(jù)相互比對。因此，采集的數(shù)據(jù)包括標(biāo)靶的三維坐標(biāo)、掃描對象的影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)處理

掃描得到的“點(diǎn)云”成果是包含點(diǎn)的三維坐標(biāo)及顏色屬性的點(diǎn)集，如何將“點(diǎn)云”轉(zhuǎn)化成三角網(wǎng)模型是點(diǎn)云處理和應(yīng)用的關(guān)鍵。

（1）三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。

檢查數(shù)據(jù)的完整性和一致性，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的規(guī)范化、點(diǎn)云過濾等操作。由于掃描現(xiàn)場工作環(huán)境復(fù)雜，尤其在施工現(xiàn)場有機(jī)械震動(dòng)、人員走動(dòng)、建構(gòu)筑物遮擋、施工浮塵及掃描目標(biāo)反射特性的不均勻等的影響，造成獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定點(diǎn)和噪音點(diǎn)，這些點(diǎn)是誤差源，在后期處理中應(yīng)將該數(shù)據(jù)取出，這個(gè)過程稱為點(diǎn)云的過濾，它是數(shù)據(jù)預(yù)處理的一個(gè)重要過程，對數(shù)據(jù)結(jié)果有重要影響。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接大致有兩種方法，一是采取控制測量的方法，二是采取標(biāo)靶配準(zhǔn)的方法。拼接之前要確定一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系（此將常用的標(biāo)靶作為統(tǒng)一坐標(biāo)系），即將掃描的標(biāo)靶的中心坐標(biāo)的點(diǎn)作為拼接中的連接點(diǎn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的控制點(diǎn)，對掃描的標(biāo)靶點(diǎn)云進(jìn)行識別和擬合，在軟件中進(jìn)行同名標(biāo)靶配準(zhǔn)，精度控制在2mm左右。

（3）將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化成三角網(wǎng)模型。

根據(jù)上述處理結(jié)果，可以構(gòu)建出掃描對象的三維模型（一般情況下表現(xiàn)為三維網(wǎng)格模型），這些模型沒有紋理，只能表達(dá)其幾何信息，所以稱之為白模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步加工，將通過數(shù)碼相機(jī)獲得的高清晰影像映射到該模型上，即可獲得與掃描對象對應(yīng)的三維仿真模型，可將其視為現(xiàn)實(shí)世界相應(yīng)物體在計(jì)算機(jī)中的模擬版本，其幾何尺寸、紋理信息基本上和現(xiàn)實(shí)世界相應(yīng)對象相同。

（4）貼紋理。

根據(jù)三角網(wǎng)模型和高清影像照片的若干特征點(diǎn)，經(jīng)過圖像變形矯正，將高清影像對應(yīng)位置的彩色信息賦予三角網(wǎng)模型。根據(jù)紋理精度的要求，需要選定不同分辨率和不同角度的高清影像。

5 變形監(jiān)測成果

該項(xiàng)目獲得的主要成果包括原始點(diǎn)云、原始影像、控制網(wǎng)成果、標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)成果、季度分析及年度分析圖表等。

在2015年5月、2015年11月、2016年2月和2016年5月分別對觀測對象進(jìn)行了4次獨(dú)立的變形監(jiān)測，獲得了大量的點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)，變形量的提取有多種方式，兩個(gè)連續(xù)時(shí)段的變形量反映的是連續(xù)性變化，跨時(shí)段反映的是一定時(shí)間間隔的形變累積量。此僅對第一次和最后一次進(jìn)行跨時(shí)段分析，周期為1年，因此形變量分析分為季度變形量和年度變形量分析。

（1）季度變形量。

以2015年5月至2015年11月時(shí)段北部承重梁為例。北部承重梁整體結(jié)構(gòu)98.86%的季度變形區(qū)間為[-0.026，0.036]，說明結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）年度變形量。

年度變形量即2015年5月至2016年5月兩時(shí)段的整體模型對比產(chǎn)生的變形量，以2015年5月至2016年5月時(shí)段北部承重梁為例。整體結(jié)構(gòu)96.22%的年度變形區(qū)間為[-0.025，0.035]，說明結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）承重梁縱橫斷面變形分析。

各觀測時(shí)段的剖面線重合得很好，說明各時(shí)段間變形量極小，通過放大及圖上量測發(fā)現(xiàn)，剖面線間最大豎向位移在0.2mm左右，得出和點(diǎn)云模型比對法相同的結(jié)論，即結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)語

本文以某鐘架進(jìn)行的一次變形監(jiān)測為例，研究三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用，結(jié)論如下。

（1）論述了三維激光掃描技術(shù)的工作原理。

（2）以大鐘寺變形監(jiān)測工程為例，詳細(xì)闡述該工程的控制點(diǎn)布設(shè)、觀測方案、數(shù)據(jù)采集方法及監(jiān)測成果。

（3）給出提高三維激光掃描數(shù)據(jù)成果精度的措施。

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