三維激光掃描儀在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用

李英芳

【摘要】近年來，建筑工程技術(shù)迅猛發(fā)展，各種建筑物被設(shè)計得越來越高，有些建筑物甚至被規(guī)劃設(shè)計到了千米以上的高度。對建筑物實施變形監(jiān)測，不僅可以有效檢定工程項目的質(zhì)量，還可以有力保障建筑物的安全運營。傳統(tǒng)測量儀器無法觸及高聳型建筑物的高處，很難開展施測工作。本文主要介紹了三維激光掃描儀在高聳型建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用，證明了三維激光掃描是一種精度可靠的可行方法。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描;建筑物;變形監(jiān)測

1.三維激光掃描技術(shù)原理概述

三維激光掃描是一種新發(fā)展的測繪技術(shù)，是繼GPS技術(shù)之后測繪領(lǐng)域的又一偉大發(fā)明。同時，它也是從傳統(tǒng)測量技術(shù)發(fā)展而來，對各種精密傳感技術(shù)以及高科技手段進行了整合，是對傳統(tǒng)多種測繪技術(shù)的高度概括以及綜合運用。

三維激光掃描主要是利用內(nèi)部的脈沖發(fā)射器對著被監(jiān)測目標(biāo)發(fā)射脈沖激光，通過反光鏡旋轉(zhuǎn)，將已經(jīng)發(fā)射出的激光直接掃過被監(jiān)測目標(biāo)的信號接收器，從而接受來自被監(jiān)測目標(biāo)反射回來的激光，利用激光脈沖從發(fā)射到被監(jiān)測目標(biāo)表面并返回到儀器中的時間，可以直接測算出被監(jiān)測物體與掃描中心之間的距離。與此同時，還可以計算出每一個激光脈沖的縱向以及橫向掃描角度，經(jīng)過軟件計算分析后，得出被監(jiān)測建筑物的三維坐標(biāo)，從而轉(zhuǎn)換為三維模型或者三維空間坐標(biāo)[1]。

2.三維激光掃描的優(yōu)勢

2.1大數(shù)據(jù)采樣

三維激光掃描可以快速獲得大面積被監(jiān)測物體的空間信息，使用該技術(shù)能以極快的速度獲取被監(jiān)測物體的三維信息，甚至可以達到對實體的三維信息進行實時動態(tài)監(jiān)測的程度，因此，可以將其運用到建筑物形變監(jiān)測之中。

2.2動態(tài)實時性

三維激光掃描內(nèi)部系統(tǒng)可以主動發(fā)射激光信號，通過對反射棱鏡發(fā)射回來的信號進行分析，進而獲得被監(jiān)測目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，這種測量方法不受氣壓、光照等外界環(huán)境限制，可以在全天的任意時間段進行實時監(jiān)測[2]。

2.3非接觸性

三維激光掃描系統(tǒng)主要是利用脈沖信號的發(fā)射以及對被監(jiān)測物體反射回的脈沖信號進行分析，從而獲取被監(jiān)測物體的外部形態(tài)信息。在一系列的過程中，都不需要人工接觸被監(jiān)測物體，這種優(yōu)勢可以將此種技術(shù)直接應(yīng)用在危險區(qū)域或者工作人員無法憑借自身力量達到的地方。

2.4穿透性

激光自身具備一定程度的穿透性，可以直接穿透不太茂盛的植被，直接到達被檢測物體的表面，在短時間之內(nèi)獲取大量點云數(shù)據(jù)，該信息可以對被監(jiān)測物體在不同層次的幾何信息進行有效描述。

2.5精度高、密度大

激光掃描測量可以快速獲得較大面積的被監(jiān)測目標(biāo)的空間信息，對被監(jiān)測目標(biāo)直接進行掃描，從而對目標(biāo)特征進行描述。它主要運用濃密的網(wǎng)格以及龐大的點陣獲取目標(biāo)信息，所以每個采樣點之間的距離都很小。

3.單點定位精度的探究

掃描儀的單點定位精度的高低將直接決定其應(yīng)用范圍，以Trimble GX200掃描儀舉例，對儀器的實際觀測精度以及標(biāo)稱精度進行分析，可以為三維激光掃描儀的實際運用提供有力支撐。

GX200掃描儀是鏡面掃描儀的一種，由馬達電子驅(qū)動器件、角圓碼盤、驅(qū)動馬達、多角鏡面轉(zhuǎn)輪以及測距模塊等元素組成。GX200掃描儀如若搭配使用雙軸補償技術(shù)，便會將掃描儀變得像測繪儀器一般在一個已經(jīng)定位好的坐標(biāo)之中開展工作，可以將掃描到的所有場景通過坐標(biāo)進行拼合，高效且精準(zhǔn)[3]。

對GX200掃描儀開展單點定位精度的檢驗時，檢驗方案是對同一目標(biāo)運用掃描儀進行反復(fù)測量，利用多次獲得的數(shù)據(jù)對其開展精度的計算。這種檢驗方案可以有效得出掃描儀本身的測量精度以及測量穩(wěn)定性，與此同時，還可以與掃描儀廠家提供的標(biāo)稱精度進行對比，判斷掃描儀精度是否滿足需求。

具體實驗操作方法如圖1所示，測量距離分別是50m與100m。通過測量距離為50m舉例，運用掃描儀對1～5號點分別進行掃描，獲得其坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在實驗進程中，要始終保證1～5號點以及A20后視點在整個實驗中位置保持不變。首先掃描儀應(yīng)當(dāng)在I013點對中整平且在后視定向之后，對1～5號點分別進行掃描，獲取坐標(biāo)信息，經(jīng)此流程之后稱為一組掃描數(shù)據(jù)。在一組數(shù)據(jù)掃描結(jié)束后，將掃描儀卸下而后在I013點重新架上，對中整平之后采集下一組數(shù)據(jù)。在實驗全程之中，對50m的各點一共進行五組測量，對測量距離為50m的各點進行實驗時，實驗步驟與前面相同，一共進行五組測量。

4.三維激光掃描儀在建筑物變形監(jiān)測中應(yīng)用的方案

從實際應(yīng)用上而言，單點定位的精準(zhǔn)程度并不是特別高，其可以滿足一般工程或者地形測量的需求。但是對于建筑物變形監(jiān)測而言，其精確程度還與要求存在一定程度的差距。

利用三維激光掃描可以快速得到建筑物高密度的點云數(shù)據(jù)，對建筑物開展建模。由于建筑物本身便是一個整體，通過點云數(shù)據(jù)建模，可以提取建筑物特征線，利用這部分特征線從而判定建筑物是否變形。

5.實際案例分析

5.1對監(jiān)測點進行布置并采集數(shù)據(jù)

現(xiàn)有一個在采空區(qū)上方建設(shè)的煤化工項目，為了有效掌控焦?fàn)t變形的程度，對其是否達到建設(shè)效果進行檢驗，可以布置8個變形獨立監(jiān)測點。

運用GX200掃描儀開展數(shù)據(jù)采集工作，在數(shù)據(jù)進行采集的過程中，在每一個監(jiān)測點上都要分別架設(shè)掃描儀，對在視場范圍內(nèi)部的所有建筑物開展掃描。焦?fàn)t內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了獲取細致、完整的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，掃描過程中應(yīng)當(dāng)選用40mm×40mm分辨率進行。掃描時，每一個數(shù)據(jù)都是獨立存在的，因此在掃描的過程中，要極大化保證兩站之間掃描區(qū)域一定程度的重疊，為后續(xù)云點拼接奠定基礎(chǔ)[3]。

5.2數(shù)據(jù)處理

要選用Trimble RealWorks Survey Advanced處理軟件對收集到的點云數(shù)據(jù)進行處理。由于兩次數(shù)據(jù)掃描都是單獨進行的，便需要對收集到的數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)匹配，在點云匹配進程結(jié)束后，還要對收集到的數(shù)據(jù)開展去噪處理。利用以上數(shù)據(jù)處理步驟便可以取得可靠完整的點云數(shù)據(jù)。

因為焦?fàn)t自身體積較大且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如若將焦?fàn)t數(shù)據(jù)進行建筑物變形分析，會出現(xiàn)工作效率低下、數(shù)據(jù)處理速度較慢、數(shù)量巨大等情況。焦?fàn)t同時是剛體結(jié)構(gòu)，其整體變形與局部變形效果一致，因此可以將焦?fàn)t特征明顯的部分單獨提取開展變形分析，在保證工作效率的同時確保結(jié)果準(zhǔn)確。

首先應(yīng)當(dāng)選用焦?fàn)t部分收集數(shù)據(jù)作為分析變形的數(shù)據(jù)，利用Trimble RealWorks Survey Advanced處理軟件中Cutting Plane的工具，對數(shù)據(jù)進行橫截面的截取。之后對點云數(shù)據(jù)開展擇優(yōu)選擇，得到特征線中可分析的點云數(shù)據(jù)。在兩次掃描的同一位置截取一致的點云數(shù)據(jù)，取得特征線兩組數(shù)據(jù)，并對其數(shù)據(jù)進行有效分析，便可以獲得焦?fàn)t某一位置變形的現(xiàn)象。為了對焦?fàn)t變形現(xiàn)象進行全面分析了解，在其點云數(shù)據(jù)中要每相隔一定距離便截取截面獲得一組數(shù)據(jù)，這樣便可以獲取多種特征數(shù)據(jù)，對焦?fàn)t變形的全面分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。最后利用回歸分析法可以對每一組數(shù)據(jù)中的兩條特征線開展直線擬合，獲得的斜率便是建筑物在此條線中的斜率，兩次掃描中的斜率差便是建筑物變形傾斜的程度。

5.3結(jié)果分析

對計算得到的變形傾斜值進行分析，可以明顯看出如若變形傾斜具備系統(tǒng)性，算出的平均值便可以作為建筑物的傾斜變化量，該變化量在數(shù)值上既有負值又有正值。如若數(shù)值的大小并不相同，便要從誤差理論的角度對建筑物進行分析，探討其是否變形。

如若從誤差理論角度分析，便是偶然誤差，也就是所謂的誤差的符號與大小都具備偶然性。從單個誤差的角度來看，一列誤差的符號與大小毫無規(guī)律性，但針對大量誤差總體而言，具備一定程度的統(tǒng)計規(guī)律。就可以認(rèn)定建筑物并不存在變形傾斜現(xiàn)象，變形傾斜值是由于觀測誤差造成的。

6.結(jié)束語

三維激光掃描的先進技術(shù)直接克服了傳統(tǒng)測量建筑物變形的固定點監(jiān)測模式的片面性，可以在極短的時間內(nèi)通過掃描獲得較高精度的點云數(shù)據(jù)，可以滿足建筑物變形傾斜測量的基本需求。對點云數(shù)據(jù)進行分析、處理，可以直觀獲得建筑物局部或者整體的變形信息。但是，若想利用不同時期的建筑物重建模型進行對比分析，就需要建設(shè)高精準(zhǔn)度的三維模型。在這一方面，該項技術(shù)還存在著許多提升空間。在實際工作中，將傳統(tǒng)測量手段與三維激光掃描結(jié)合，便可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，達到極佳效果。

參考文獻

[1]王宗輝.基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物變形監(jiān)測應(yīng)用[J].中國建材科技，2017，26（2）：70-72.

[2]蔡來良，吳侃，張舒.點云平面擬合在三維激光掃描儀變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2010，35（5）：231-232.

[3]焦曉雙，胡海峰，廉旭剛.基于三維激光掃描技術(shù)的礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測方法[J].金屬礦山，2018，（4）：150-153.

（作者單位：湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

【中圖分類號】TU317

【文獻標(biāo)識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）09-0090-02