三維激光掃描技術在高層建筑形變監(jiān)測中的應用

張向陽 鐘棉卿

（甘肅正昊測繪工程有限公司 甘肅天水741000）

1 引言

近年來，我國各大城市興起了建設高層、超高層建筑的熱潮[1]，給傳統(tǒng)的建筑形變監(jiān)測方法帶來巨大的挑戰(zhàn)。建筑形變監(jiān)測指周期性地對建筑物開展沉降、水平位移、傾斜、裂縫和撓度監(jiān)測等[2]，掌握建筑物的形變規(guī)律，為后續(xù)處理方案提供數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的變形觀測方法[3]，如水準測量、三角測量、全站儀、導航衛(wèi)星測量等，生產(chǎn)成本高、工作效率低，在狹窄的城市區(qū)域采集高層及超高層的測量數(shù)據(jù)難度大，難以保證高層建筑形變數(shù)據(jù)的完整性與精確性。高層建筑形變監(jiān)測需要很高的測量精度，且觀測時間跨度大[4]，觀測時間長，測量工作的效率和數(shù)據(jù)成果的精確可比性至關重要。

三維激光掃描技術是20 世紀90 年代開始迅速發(fā)展的一項高精度快速測量技術[5]，它突破了傳統(tǒng)的單點數(shù)據(jù)采集方式，在保持數(shù)據(jù)高精度的同時大幅提高了數(shù)據(jù)采集的效率，被稱為“實景復制技術”[6]。本文嘗試利用三維激光的技術優(yōu)勢實現(xiàn)高層、超高層建筑外部變形任務，探討應用三維激光掃描技術進行高層建筑形變監(jiān)測的方法，并討論其技術適應性，為相似的工程提供有效的解決方案。

2 高層建筑形變監(jiān)測技術要求

建筑形變監(jiān)測是針對建筑的位移、沉降、傾斜等現(xiàn)象的監(jiān)測與測量工作，測量建筑物的沉降觀測、位移（包括垂直位移與水平位移）、撓度、傾斜與裂縫等的變化量及速度。針對高層建筑，可使用多期數(shù)據(jù)構建形變建筑的整體剛體運動模型來表現(xiàn)高層建筑物整體的姿態(tài)變化[7]。

沉降觀測的等級和精度要求應視工程規(guī)模、性質(zhì)及沉降量的大小和速度而定，對于同一建筑物可以隨沉降量及速度的變化而采用不同的觀測精度。應在能全面反映建筑物及地基變形特征，并估計地質(zhì)與建筑結構的特點來設置一定數(shù)量的沉降觀測點，如高層建筑的轉(zhuǎn)角及柱基上，高低層建筑物、縱橫墻等交接處，承重墻中部，建筑物豎向軸線或其平行線的頂部和底部，分層傾斜觀測點宜分層布設高低點等。并按照規(guī)程設置相應的觀測標志。

變形監(jiān)測的施測精度應嚴格按照規(guī)范要求[8]。另外，《建筑變形測量規(guī)范》中推薦的方法，如幾何水準法、全站儀水平位移測量、衛(wèi)星導航定位測量系統(tǒng)、經(jīng)緯儀投點法、前方交會法、正垂線法、激光準直法、差異沉降法、傾斜儀側記法等，常受作業(yè)人員、儀器、外界作業(yè)環(huán)境等影響，在變形監(jiān)測方案設計中考選擇最佳觀測時段并在相近的環(huán)境條件下觀測。

3 三維激光掃描技術在高層建筑形變監(jiān)測中的應用

3.1 三維激光掃描技術簡介

圖1 三維激光點云（紅色）

三維激光掃描技術通過為高頻激光測距系統(tǒng)配置自動掃描控制裝置而實時改變激光束的方向，使動態(tài)激光束能測量到儀器周邊環(huán)境內(nèi)所有無遮擋的地物表面，獲取大量的目標對象點云(如圖1 所示)。作為一種先進的新技術裝備，三維激光掃描儀迅速的引起了各行業(yè)的關注。它極大的改善了數(shù)據(jù)采集的效率，使單點測量向面測量突破。目前，三維激光掃描技術已經(jīng)成功應用于逆向工程、建筑、城市規(guī)劃、文物保護、數(shù)字城市等。其技術優(yōu)勢還體現(xiàn)在[9]：

（1）非接觸測量，不需要接觸被測物體的表面，能解決人無法到達區(qū)域的測量問題，減小了高層建筑測量的危險性。

（2）高分辨率，三維激光掃描儀以極高的頻率發(fā)射激光束，每秒鐘發(fā)射幾十萬到上百萬激光點，以mm 級、cm 級的分辨率采集被測物體表面密集的點云。

（3）信息量豐富，三維激光掃描技術無差別的獲取無遮擋的被測物體的密集點云信息，對于建筑的實景保持度高，能反映出比較全面的變形特征。

（4）數(shù)字化程度高、擴展性強。三維激光掃描儀測取的點云能與常規(guī)的軟件如AutoCAD 繪圖軟件，TXT記事本文件等進行數(shù)據(jù)交換及共享，具有較好的擴展性。

3.2 流程與方法

使用三維激光掃描技術開展建筑物整體形變監(jiān)測共分為4 個步驟：數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)預處理、形變特征提取及形變成果整理。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀全自動采集數(shù)據(jù)，只需要提前設定掃描的參數(shù)，儀器就能在幾分鐘內(nèi)自動化的掃描周邊場景。由于測程、遮擋等問題，高層建筑可能在一次掃描中不能采集到完整數(shù)據(jù)，這時就需要多次設站掃描，再通過軟件將多次設站的點云拼接起來，形成建筑整體。

3.2.2 點云數(shù)據(jù)預處理

點云數(shù)據(jù)的預處理一般包括去噪、拼接、精簡、分割等步驟。高層建筑的整體變形主要體現(xiàn)在建筑物的邊界線、中線、柱中線、分層線附近，其余典型的變形特征，如裂縫、結構彎曲等也應該保留下來。由于測量距離及遮擋等因素，整體建筑物點云可能需要多站采集的數(shù)據(jù)拼接而成，一般商用三維激光掃描系統(tǒng)提供自動拼接的軟件，利用標靶或可識別的顯著特征點作為控制點進行剛性變換，以實現(xiàn)多站掃描數(shù)據(jù)的拼接。掃描體表面布滿密度極大的點云數(shù)據(jù)，存在大量冗余，有必要對其進行精簡處理，可使用軟件提供的方法自動化的對數(shù)據(jù)進行抽稀。為反映建筑整體的變形特點需要分離出一些變形特征，可將三維空間點云分割到各建筑立面、剖面上。

3.2.3 建筑物變形特征提取

（1）建筑立面提取

建筑立面的獲取首先要計算精確的立面法向量，本文采用主成分分析（PCA）算法求取協(xié)方差矩陣最小特征值對應的特征向量作為立面的法向量。而后將立面點云向該平面投影。

（2）監(jiān)測點識別與提取

對于布設了變形標志的監(jiān)測點需要從點云中識別出來，對于未設置變形標志的也可以選擇特征顯著的拐點、多邊形中心、交點等作為長期追蹤的監(jiān)測點。監(jiān)測點應特征明顯，易于從點云數(shù)據(jù)中識別與提取。

（3）提取特征線

變形特征除了反映在一些明顯的點運動之外，線特征的變化能反映一些整體性的變化，如建筑中線的偏移、建筑立面邊線的形變特征等。

3.2.4 形變成果整理

形變監(jiān)測的成果包括各監(jiān)測點的點位分布圖及其變形曲線。如沉降變形曲線、水平位移曲線，樓體外輪廓的傾斜度等。

4 工程實例與對比分析

4.1 工程概況

監(jiān)測對象為甘肅省蘭州市某廣場的一棟綜合樓，地下2 層，地上19 層，裙樓3 層，總建筑面積約23830m2，主樓建筑高度61m，屬于高層建筑。按照二級監(jiān)測的技術要求進行監(jiān)測。項目監(jiān)測期為建筑物結構封頂后3 年內(nèi)，采集方案的采集間隔為前三個月每月一期，此后6 個月每三個月一期，剩余時間每半年一期，直到結構變形趨于穩(wěn)定。

本項目采用徠卡Leica HDS6000 三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，每期設站6 次，通過Cyclone 軟件進行精確匹配和拼接獲得完整的建筑點云，經(jīng)精簡后剩余點云數(shù)量113.4 萬左右，50m 距離處的測量精度3mm。圖2 為一個拐角處獲取的建筑點云效果圖

圖2 建筑點云效果圖

4.2 實施流程

在距離大廈一側40m 左右的一棟7 層辦公樓的拐角、樓下門墩、外樓面上選擇了4 個視野開闊的明顯點位作為沉降觀測的基準點J1～J4，掃描時以較近的測距覆蓋這些點。通過多期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，這些點的相對位置沒有明顯的變化，四點形成的6 條邊的距離中誤差±0.13mm，表明選擇的基準點穩(wěn)定，為使監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一，選取了辦公樓外墻面上的J2 點為監(jiān)測樓體變形的比較基準。

由于前期未布設監(jiān)測標志，本文以監(jiān)測建筑的墻角處的豎向線條為特征線，以層間線與豎向線條的交點為形變監(jiān)測點，共提取了16 條特征線，每層9 個監(jiān)測點，共144 個監(jiān)測點。圖3 展示了某監(jiān)測點在各期的沉降變化趨勢。根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》，對高層和超高層建筑應進行傾斜觀測。本文根據(jù)豎向特征線的變形特征提供每期的傾斜測量值。

圖3 某監(jiān)測點的沉降位移趨勢

4.3 與全站儀法的比較

為評價三維激光掃描技術的測量精度與效率，在第一期采用0.5mm 級高精度全站儀采集同等位置的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)。實踐表明，在狹窄的市區(qū)，采用全站儀免棱鏡模式很難采集到所有的形變點，僅測取到建筑物的變形特征點79 個，占監(jiān)測點總數(shù)量的55%，其余點由于遮擋、視角或沒有合適的設站點而無法采集。隨著樓層高度的增加，量測的難度逐漸增大，樓頂僅采集到一個點的數(shù)據(jù)。從測量精度上，受限于人眼的分辨率，建筑整體的傾斜測量施測難度大，全站儀測量兩點間的相對位置靜精度不及三維激光掃描儀穩(wěn)定。另一方面，全站儀測量的效率低，共花費3.6h，而三維激光掃描儀僅花費35min。實踐證明，三維激光掃描技術在測量精度和效率上都優(yōu)于全站儀，但全站儀獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)少，后期數(shù)據(jù)處理簡單。

5 結束語

使用傳統(tǒng)建筑變形監(jiān)測方法檢測高層建筑的形變存在技術局限性，如強度大、效率低、不能完整的獲取整體形變特性等。本文根據(jù)高層建筑形變監(jiān)測的技術要求，基于新興的三維激光掃描技術的優(yōu)勢，探討了應用三維激光掃描技術開展建筑物整體形變監(jiān)測的方法，并基于一個工程實例驗證了新技術的優(yōu)勢與技術適應性，給相似工程提供借鑒。