徠卡MS60全站掃描儀在電廠煙囪傾斜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

沈翀 范曉進(jìn) 汪志飛

摘 要 本文借助于徠卡MS60全站掃描儀來(lái)完成了對(duì)電廠煙囪傾斜監(jiān)測(cè)任務(wù)，通過(guò)對(duì)煙囪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)分析煙囪的傾斜程度，極大地提升了工作效率與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也豐富了數(shù)據(jù)資料的直觀性與可視性。

關(guān)鍵詞 徠卡MS60掃描儀;點(diǎn)云數(shù)據(jù);煙囪傾斜監(jiān)測(cè)

Abstract Leica MS60， which can obtain the point cloud， was used to monitor the inclination of power plant chimney. We analyzed the point cloud of chimney to evaluate the inclination of chimney， which not only improve the monitoring efficiency and data accuracy but also enrich the intuition and visibility of data.

Keywords Leica MS60; Point cloud; Inclination monitoring of chimney

引言

某電廠煙囪高約120m，該煙囪在使用過(guò)程中可能會(huì)由于不均勻沉降而產(chǎn)生傾斜，所以對(duì)其進(jìn)行傾斜變形監(jiān)測(cè)，為后續(xù)治理提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。對(duì)于煙囪這樣的塔式建筑，傳統(tǒng)傾斜監(jiān)測(cè)方法通常有2種：縱橫軸線法和前方交會(huì)法。文獻(xiàn)[1]中對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較，縱橫軸線法主要適用于監(jiān)測(cè)煙囪臨近有空曠場(chǎng)地的情形，前方交會(huì)法主要是通過(guò)在煙囪附近設(shè)置2個(gè)觀測(cè)基點(diǎn)，用前方交會(huì)法測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的變化，以確定其位移值和傾斜率。此方法適用于建筑物較高，現(xiàn)場(chǎng)地形條件受限情況下的傾斜監(jiān)測(cè)。

本文中利用徠卡MS60全站掃描儀進(jìn)行煙囪三維掃描，利用得到的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)分析煙囪的傾斜程度。徠卡 MS60全站掃描儀則結(jié)合了超高精度全站儀和三維激光掃描儀的優(yōu)點(diǎn)：①它具有0.5秒級(jí)別的超高測(cè)角精度，是業(yè)內(nèi)測(cè)角精度最高的全站儀產(chǎn)品;②與常規(guī)全站儀相比，MS60同時(shí)又具備三維激光掃描的強(qiáng)大功能;③同傳統(tǒng)大空間三維激光掃描儀相比，徠卡MS60全站掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可自動(dòng)保留坐標(biāo)信息，無(wú)需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后期拼接，提高外業(yè)掃描精度以及減少內(nèi)業(yè)處理的工作時(shí)間。

1測(cè)量過(guò)程與方法

被監(jiān)測(cè)煙囪如圖1，在被監(jiān)測(cè)目標(biāo)煙囪周圍設(shè)置3個(gè)架站角度，盡可能完全包覆煙囪。設(shè)置全站掃描儀測(cè)站位置，每一個(gè)測(cè)站盡量多地獲取到被測(cè)煙囪的點(diǎn)云數(shù)據(jù);以1000Hz的頻率進(jìn)行掃描，每個(gè)掃描區(qū)域以多邊形框選，框選范圍不易過(guò)大;考慮到時(shí)效性，每區(qū)域掃描時(shí)間均控制在1小時(shí)左右?？紤]到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，掃描結(jié)束后，可在機(jī)載軟件中查看實(shí)時(shí)掃描情況，以防漏掃。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)操作具體流程如下：

（1）將現(xiàn)場(chǎng)已有控制點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入至全站掃描儀中，進(jìn)行設(shè)站定向;

（2）設(shè)站完成后，選擇全站掃描儀的掃描功能，針對(duì)掃描區(qū)域的進(jìn)行多邊形框選，框選區(qū)域完成后，進(jìn)行全景照片的拍攝獲取，生成完全景照片后，針對(duì)當(dāng)前選擇的多邊形區(qū)域進(jìn)行免棱鏡測(cè)距，計(jì)算煙囪最遠(yuǎn)端到儀器的距離，通過(guò)水平、垂直間隔來(lái)設(shè)置點(diǎn)云的密度，通常我們選擇以最遠(yuǎn)處的距離進(jìn)行5mm左右的點(diǎn)間隔進(jìn)行掃描作業(yè)，設(shè)置好掃描的參數(shù)后，進(jìn)入掃描過(guò)程，等待掃描數(shù)據(jù)獲取結(jié)束，機(jī)載點(diǎn)云查看工具會(huì)自動(dòng)彈出當(dāng)前掃描完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步查看，用以了解當(dāng)前測(cè)站下獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否達(dá)到我們的理想數(shù)據(jù)狀態(tài);

（3）隨后再進(jìn)行儀器的搬站，重復(fù)之前的操作，進(jìn)行獲取點(diǎn)云;

（4）最終三個(gè)站點(diǎn)均掃描結(jié)束后，進(jìn)入到項(xiàng)目作業(yè)中，查看完整的目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移、放大等多種瀏覽工具查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完備性。

2點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及三維建模

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)掃描結(jié)束后，將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入至徠卡infinity點(diǎn)云管理軟件中，在軟件中查看掃描數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云的噪點(diǎn)及冗余點(diǎn)刪除，可以切換多個(gè)視角檢查從而確保將噪點(diǎn)及冗余點(diǎn)全部清除。最終將點(diǎn)云輸出為PTS格式用以處理建立三維實(shí)體模型，點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

從點(diǎn)云的顯示效果來(lái)看，實(shí)測(cè)煙囪的點(diǎn)云分辨率和紋理清晰度與現(xiàn)場(chǎng)符合性一致。點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以用于后期對(duì)煙囪的建模以及傾斜分析。

2.2 三維建模

將PTS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Design X軟件中進(jìn)行三維逆向建模處理，相較于以往的單點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)更加準(zhǔn)確與直觀，如圖3所示。可實(shí)時(shí)查詢到所查詢的尺寸位于模型的位置區(qū)域。

通過(guò)對(duì)煙囪數(shù)據(jù)的建模，可以模擬出煙囪的中軸線以及任何位置的圓環(huán)信息。在已知該煙囪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的情況下，就能通過(guò)與模擬數(shù)據(jù)的比較結(jié)果來(lái)分析煙囪的傾斜程度。

如果沒(méi)有煙囪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)模型與點(diǎn)云色譜相結(jié)合來(lái)分析煙囪傾斜程度，如圖4所示。

3結(jié)果分析

本文中對(duì)電廠煙囪進(jìn)行兩期掃描，獲得兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)。分別通過(guò)單期煙囪模型與點(diǎn)云色譜比較以及兩期點(diǎn)云色譜比較來(lái)對(duì)煙囪傾斜監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。本文中對(duì)煙囪傾斜程度進(jìn)行量化，單期點(diǎn)云通過(guò)點(diǎn)云與煙囪模型的殘差來(lái)衡量煙囪傾斜程度，殘差絕對(duì)值越大，煙囪傾斜越嚴(yán)重;兩期點(diǎn)云通過(guò)相同位置點(diǎn)云的差值來(lái)衡量煙囪傾斜程度，差值絕對(duì)值越大，煙囪傾斜越嚴(yán)重。

同時(shí)為了對(duì)本次掃描結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，采用了全站儀對(duì)煙囪的四個(gè)環(huán)面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 單期點(diǎn)云數(shù)據(jù)

單期煙囪點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模，再與點(diǎn)云色譜融合，如圖5所示。

通過(guò)色譜可以看出大部分模型與點(diǎn)云的殘差都在5cm以內(nèi)，殘差最大的位置位于煙囪高度40m附近，此處的殘差值接近10cm，說(shuō)明該煙囪目前傾斜程度不大，處于健康狀態(tài)。

3.2 兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將兩期煙囪點(diǎn)云色譜融合對(duì)比后，如圖6所示。

通過(guò)不同時(shí)間煙囪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)可以直觀地反映出這段時(shí)間內(nèi)煙囪的變形情況，從煙囪兩期點(diǎn)云對(duì)比色譜圖中可以看出這段時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)差值都在2cm以內(nèi)，其中絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)差值在1cm以為，從而很好的證明了該煙囪在此期間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生大的傾斜。

3.3 掃描儀結(jié)果對(duì)比

分別在2018年8月15日和2018年12月3日對(duì)煙囪四個(gè)不同高度的環(huán)面利用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出四個(gè)環(huán)面的圓心坐標(biāo)與圓心設(shè)計(jì)坐標(biāo)之間的差值，通過(guò)差值來(lái)評(píng)價(jià)煙囪的傾斜程度。兩期全站儀煙囪傾斜成果見(jiàn)表1。

從上表中可以看出，煙囪在不同高度處均有一定的傾斜，但其傾斜量△A和△B均在2cm以內(nèi)，說(shuō)明煙囪自開(kāi)始監(jiān)測(cè)以來(lái)，沒(méi)有發(fā)生大的傾斜。

全站儀監(jiān)測(cè)煙囪傾斜結(jié)果與全站掃描儀監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，證明了全站掃描儀可以作為一種新方法用來(lái)監(jiān)測(cè)電廠煙囪的傾斜程度。

4結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的煙囪傾斜測(cè)量手段基本都需要本人操作全站儀進(jìn)行免棱鏡觀測(cè)，對(duì)于超高的煙囪傾斜監(jiān)測(cè)其工作量非常大。本文中采用的徠卡MS60全站掃描儀不僅可以自行觀測(cè)，而且獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還具有可視化功能。本文通過(guò)對(duì)某電廠煙囪兩期掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并與全站儀監(jiān)測(cè)煙囪的結(jié)果進(jìn)行了比較，非常直觀地反映出了該煙囪的傾斜狀況。同時(shí)也為煙囪類塔式建筑物的傾斜監(jiān)測(cè)工作提供了一種新的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 付宏平，常穎.廠區(qū)煙囪傾斜變形測(cè)量[J].測(cè)繪通報(bào)增刊，2001（z1）： 29-30.