三維激光掃描技術(shù)在建(構(gòu))筑物傾斜測量中的應(yīng)用

陳 朋，譚曄汶

(1.浙江省地礦勘察院有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310000)

0 引 言

在建(構(gòu))筑物的施工和運(yùn)營過程中，由于地質(zhì)條件和土壤性質(zhì)的不同，地下水位和大氣溫度的變化，建筑物載荷和外部作用的影響，導(dǎo)致建(構(gòu))筑物隨時(shí)間發(fā)生的沉降、位移、撓曲、傾斜及裂縫，統(tǒng)稱為“變形”。這種變形超過一定的范圍就會(huì)影響建(構(gòu))筑物的正常使用，因此需要對建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形觀測，而傾斜觀測又是最常見的一種變形觀測[1]。

傳統(tǒng)傾建(構(gòu))筑物傾斜測量可通過經(jīng)緯儀、全站儀等進(jìn)行，這些方法受儀器精度和現(xiàn)場條件的限制，觀測精度較低。三維激光掃描技術(shù)是近年才逐步發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，可為建(構(gòu))筑物檢測提供新的技術(shù)手段，彌補(bǔ)傳統(tǒng)觀測方法的許多不足。

本文借助徠卡三維激光掃描儀ScanStation C10及其配套處理軟件，介紹三維激光掃描技術(shù)的建(構(gòu))筑物傾斜測量的基本原理，并通過實(shí)例說明該方法的可靠性。

1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

地面三維激光掃描在作業(yè)之前要制定測量計(jì)劃，具體工作包括實(shí)地踏勘、制定觀測方案、控制測量、配準(zhǔn)方案和三維激光掃描測量等步驟[2-3]。

(1)實(shí)地踏勘和制定觀測方案。掃描作業(yè)前首先要到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地踏勘，根據(jù)掃描作業(yè)要求及建筑物的形態(tài)特征和空間分布確定掃描站點(diǎn)、標(biāo)靶、控制點(diǎn)位置，制定詳細(xì)的作業(yè)方案。

(2)控制測量和配準(zhǔn)方案。當(dāng)測區(qū)較大時(shí)，傳遞配準(zhǔn)次數(shù)增多，配準(zhǔn)誤差會(huì)呈線性趨勢放大并難以定量評(píng)估，為了保證配準(zhǔn)后的整體點(diǎn)云精度滿足作業(yè)要求，需要測定一系列控制點(diǎn)的平面與高程，建立測量控制網(wǎng)，以限制配準(zhǔn)誤差的傳遞。當(dāng)測區(qū)較小時(shí)，測站較少，配準(zhǔn)誤差能得到較好的控制，可不建立控制網(wǎng)。

(3)三維激光掃描測量：測站選擇要充分考慮現(xiàn)場多種因素的影響，如振動(dòng)、施工、遮擋等情況。在設(shè)站的同時(shí)也要充分做好人員及設(shè)備的安全保障，發(fā)現(xiàn)設(shè)站的位置存在以上影響因素時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。架站后設(shè)定掃描儀的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行掃描，對局部特征部位需進(jìn)行精細(xì)掃描。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后，要進(jìn)行預(yù)處理，點(diǎn)云的預(yù)處理包括配準(zhǔn)、去噪和壓縮[4-5]。

(1)配準(zhǔn)。在局部小區(qū)域范圍內(nèi)，使用標(biāo)靶法拼接，即利用相鄰測站間至少有3個(gè)及以上的公共標(biāo)靶用于計(jì)算坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣，將各個(gè)測站點(diǎn)云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)站坐標(biāo)系下，為了保證拼接的精度，連續(xù)傳遞配準(zhǔn)次數(shù)不超過4次。范圍較大時(shí)，須通過控制網(wǎng)將各站點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)或者在局部坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)。

(2)去噪。由于外界環(huán)境的影響和儀器自身原因，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)包含部分非目標(biāo)點(diǎn)云，需要先將這部分點(diǎn)云剔除，包括一些離散的噪點(diǎn)、行人、車輛和一些孤立點(diǎn)等。

(3)壓縮。由于相鄰測站點(diǎn)云會(huì)有重疊，且地面三維激光掃描儀激光是以儀器為中心向四周發(fā)散，距離儀器越近點(diǎn)云的密度越大，遠(yuǎn)超過實(shí)際需要。因此，在滿足需要的前提下，需對點(diǎn)云進(jìn)行壓縮，減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，提高點(diǎn)云處理速度。

2 三維激光掃描在建(構(gòu))筑物檢測中的應(yīng)用

2.1 基于三維激光掃描的規(guī)則建筑物傾斜測量

2.1.1 建筑物特征線提取方法

對于規(guī)則的多層或者高層建筑物傾斜值，可通過測量建筑物棱線獲得，首先要通過點(diǎn)云特征線提取算法獲取建筑物特征線，然后再截取建筑物棱線，通過擬合空間直線求取棱線的傾斜。

圖1 點(diǎn)到平面的距離

(1)

圖2 特征點(diǎn)到平面的距離

對所有點(diǎn)云進(jìn)行逐點(diǎn)判斷，從而完成特征線點(diǎn)云的提取。

2.1.2 傾斜測量方法

根據(jù)上述特征線提取方法獲取建筑物特征線的線狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，采用最小二乘算法擬合空間直線，并得到該空間直線的方向向量Vline1=(vx,vy,vz)，進(jìn)一步計(jì)算特征線的傾斜，傾斜按公式(2)計(jì)算。

(2)

2.1.3 工程實(shí)例

某建筑物，需對其進(jìn)行變形監(jiān)測，包含建筑物傾斜測量。由于該建筑物地處鬧市區(qū)，周圍建筑密集，局部立面無法采用全站儀進(jìn)行傾斜測量，故采用三維激光掃描儀對其進(jìn)行掃描，點(diǎn)云預(yù)處理后，獲得建筑物外立面完整點(diǎn)云。

選取部分點(diǎn)云，采用上述特特征線提取方法，得到墻角特征線，如圖3和圖4所示。

圖3 西南角點(diǎn)云

圖4 點(diǎn)云特征線

人機(jī)交互選取建筑物棱線，擬合空間直線求取該棱線的傾斜，得到空間直線的方向向量為(-0.050 2，0.022 9，4.553 1)，因此可得該棱線傾斜值為0.012 3。與全站儀測量結(jié)果對比，對比結(jié)果如表1所示。

表1 傾斜值對比

從表中對比數(shù)據(jù)可以得出：通過特征線擬合的方法求得的傾斜值與常規(guī)測量結(jié)果基本一致，說明該方法可用于建筑物的傾斜測量。

2.2 基于三維激光掃描的柱狀構(gòu)筑物傾斜測量

2.2.1 傾斜測量方法

對于柱狀構(gòu)筑物的傾斜，通常采用全站儀獲取離散點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而分析形變。但由于部分建構(gòu)筑物較高，周邊建筑物影響等，外業(yè)測量困難且難以完整的反映變形。因此，可通過三維激光掃描儀獲取柱狀構(gòu)筑物表面高密度、高精度的點(diǎn)云，然后對不同高度點(diǎn)云進(jìn)行剖切，將各層點(diǎn)云的中心擬合為空間直線，根據(jù)直線的斜率分析其傾斜。具體步驟如下：

(1)獲取完整的柱狀點(diǎn)云，并進(jìn)行去噪、壓縮等預(yù)處理。

(2)選取合適的間距和厚度，沿Z軸對柱狀點(diǎn)云進(jìn)行切片，并對每個(gè)切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合成圓，得出圓心坐標(biāo)。

(3)對于不同高度處的傾斜，可根據(jù)各層圓心與底層圓心坐標(biāo)差值計(jì)算；對于柱狀構(gòu)筑物的整體傾斜，可采用2.1節(jié)中的方法將各層圓心擬合成空間直線，作為該柱的中心線，根據(jù)中心線的斜率分析該柱的整體傾斜狀況。

2.2.2 工程實(shí)例

如圖5所示，某工廠內(nèi)一高達(dá)43 m左右的煙囪，現(xiàn)需要測量其傾斜，評(píng)估其安全性。由于煙囪較高且周邊建筑物較多，使用傳統(tǒng)測量方法無法完成傾斜測量。因煙囪屬于圓柱狀構(gòu)筑物，故采用三維激光掃描，獲取煙囪外表面完整點(diǎn)云，通過上述柱狀構(gòu)筑物傾斜測量方法完成煙囪傾斜測量。如圖6(a)為煙囪完整點(diǎn)云模型。

圖5 煙囪

圖6 煙囪點(diǎn)云

從煙囪底面點(diǎn)云開始，每隔2 m進(jìn)行切片，切片厚度為0.005 m，共獲得20層點(diǎn)云，如圖6(b)所示。通過對各分層點(diǎn)云的擬合可得圓心坐標(biāo)、平均高程和擬合圓半徑，并計(jì)算各分層與底層圓心坐標(biāo)的差值Δx、Δy，進(jìn)一步得到該高度處的傾斜值。單層點(diǎn)云擬合情況如圖6(c)所示，每層點(diǎn)云擬合信息和不同高度傾斜情況如表2所示。

表2 分層擬合圓信息

根據(jù)20個(gè)分層圓心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，采用最小二乘算法擬合空間直線，如圖6(d)，得到空間直線的方向向量為(-0.062 9，-0.161 8，47.000 5)，因此可得煙囪整體傾斜值為0.003 7。

3 結(jié) 語

本文利用三維激光掃描儀獲取建(構(gòu))筑物表面點(diǎn)云，通過算法完成規(guī)則建筑物和柱狀構(gòu)筑物的傾斜計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地面三維激光掃描技術(shù)能滿足建(構(gòu))筑物傾斜測量的要求，且與常規(guī)測量方法相比，具有數(shù)據(jù)豐富、受現(xiàn)場條件約束較小的優(yōu)勢。