三維激光掃描儀在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用

朱業(yè)來 山東至遠(yuǎn)地理信息工程有限公司

劉艷亮 王 斌 山東瑞鑫地理信息工程有限公司

1 前言

國內(nèi)外學(xué)者相繼對三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行了深入研究，同時也引起了人們對三維激光掃描儀在變形監(jiān)測應(yīng)用中的高度關(guān)注。這種近幾年才在工程還有中發(fā)展起來的新型測量儀器，可以對目標(biāo)物體快速仿造出實(shí)體模型和各類地圖的實(shí)際數(shù)據(jù)，比如直線、曲面和體積，可以準(zhǔn)確得到目標(biāo)物體監(jiān)測的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此成為測量科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的一個重大突破。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，探究了三維激光掃描儀在建筑物變形領(lǐng)域中的應(yīng)用，凸顯了三維激光掃描儀對建筑物變形監(jiān)測的成果，并且已經(jīng)通過工程實(shí)例得以證明。

日常工作中人們已知的傳統(tǒng)測量儀器主要包括全站儀和GPS，它們測量目標(biāo)物體會得出二維圖形。而在技術(shù)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)化測量技術(shù)給人們帶來了巨大的好處，如三維激光掃描儀，它不僅改變了傳統(tǒng)測量技術(shù)的二維數(shù)據(jù)，而且直觀地顯示了目標(biāo)物體的三維或三維效果圖，并且還會把變形區(qū)域用不同的顏色表示出來，真實(shí)還原目標(biāo)物體[1]。給人的真實(shí)感是其他儀器無法實(shí)現(xiàn)的。在使用三維激光掃描儀對建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測的時候，能夠完整全面的檢測到建筑各個區(qū)域的監(jiān)測點(diǎn)，這從根本上克服了傳統(tǒng)測量儀器在建筑變形監(jiān)測過程中必須采用離散點(diǎn)的局限。

2 三維激光掃描技術(shù)原理概述

三維激光掃描技術(shù)是一種新的測繪技術(shù)，是繼GPS技術(shù)之后測繪行業(yè)的又一重大創(chuàng)新。此外，它源于傳統(tǒng)的測量技術(shù)，集成了各種高精度傳感技術(shù)和高科技技能，是對傳統(tǒng)測繪技術(shù)的高度總結(jié)和綜合利用。

三維激光掃描儀的基本工作原理為：通過使用內(nèi)置的脈沖發(fā)射器，對目標(biāo)物體產(chǎn)生脈沖激光而實(shí)現(xiàn)檢測目的，借助于被探測目標(biāo)的反射器技術(shù)和信號接收器，利用光的反射原理以及到儀器的折反時間，可以直觀地計算出被掃描物體與中心的距離。此外，還可以同時測量每個脈沖激光的縱向和橫向掃描方向之間的角度，然后通過應(yīng)用軟件進(jìn)行計算和分析，便能知道監(jiān)測物的三維空間位置坐標(biāo)，進(jìn)而形成了三維空間模型以及三維空間坐標(biāo)。

3 三維激光掃描儀的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著時間的推移，國內(nèi)3D技術(shù)不斷成熟，目前在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)非常嫻熟了。而三維激光掃描儀便是其中的技術(shù)代表，到目前為止，三維激光掃描儀技術(shù)已經(jīng)在工程行業(yè)、結(jié)構(gòu)行業(yè)、娛樂行業(yè)、采礦行業(yè)還有建筑行業(yè)中有了一定的使用范疇，測量的內(nèi)容主要分為：道路測量、地質(zhì)測量、橋梁測量、建筑物的變形等類型的相關(guān)測量；對結(jié)構(gòu)體的尺寸、面積、坐標(biāo)等這些都屬于結(jié)構(gòu)測量，比如對線路、管道實(shí)施改建時的相關(guān)測量，又或者對相關(guān)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢測也都屬于結(jié)構(gòu)測量；采礦方面是對某些露天的地方，井下危險的地方用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，像溶洞之類的；在娛樂方面則側(cè)重于制作3D電影、研發(fā)3D 游戲以及一些虛構(gòu)的設(shè)計，諸如博物館等。

4 三維激光掃描儀在建筑物變形監(jiān)測中優(yōu)勢與應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 應(yīng)用于建筑物變形監(jiān)測的優(yōu)勢

變形監(jiān)測技術(shù)的特點(diǎn)是精度高、即時性和等精度觀測，而三維激光掃描技術(shù)的特征剛好與之吻和，其在工作中，不需要預(yù)先鋪設(shè)監(jiān)測點(diǎn)、不需要和被監(jiān)測物體進(jìn)行直接接觸，且有極快的監(jiān)測速度，高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以更精確地顯現(xiàn)出被監(jiān)測物體的變形走向等。

4.2 無需埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)

利用三維激光掃描技術(shù)對監(jiān)測物體進(jìn)行測量時，收到的點(diǎn)云信息面積較大、密度較高，可實(shí)現(xiàn)利用變形物體的表面、形體結(jié)構(gòu)等特征代替設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測（比如建筑物、長期存在于地面的物體或者巖石結(jié)構(gòu)的表面）。

4.3 監(jiān)測速度快

激光的取樣點(diǎn)速度每秒可達(dá)幾千乃至幾萬，是傳統(tǒng)測量方法無法與之相比的，能極大地提高監(jiān)測范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集效率。

4.4 無接觸

三維激光掃描儀進(jìn)行測量時，并不需要和被檢測物質(zhì)進(jìn)行直接接觸，僅利用主動發(fā)出的激光和回波的信息便可以直觀地獲取物體表面的三維坐標(biāo)位置，因此能夠克服在高陡危巖、危險性較大的滑坡變形體時，因不能準(zhǔn)確到達(dá)所布點(diǎn)的地方，而無法收集到測量信息的問題，從而有效地保障了工作人員的安全性。

4.5 整體監(jiān)測

監(jiān)測數(shù)據(jù)擁有密度較高的面式收集、多方位的觀測點(diǎn)，使用監(jiān)測數(shù)據(jù)可以斷定建筑物變形結(jié)構(gòu)體的完整表面狀況，仿造出與建筑物結(jié)構(gòu)體相同的三維模型，以供工作人員分件位移的走向，這一技術(shù)有效規(guī)避了傳統(tǒng)監(jiān)測方法測量的變形結(jié)果中，表述出的局部與片面性方面的弱點(diǎn)。

4.6 大數(shù)據(jù)采樣

對監(jiān)測物體使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測量時，可快速得到目標(biāo)物體大量的空間信息，三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取被監(jiān)測目標(biāo)的三維空間信息數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)Ρ槐O(jiān)測物體的三維空間信息進(jìn)行動態(tài)檢測，所以，其被廣泛應(yīng)用于建筑物的變形監(jiān)測工作中。

4.7 動態(tài)實(shí)時性

三維激光掃描內(nèi)控系統(tǒng)可以獨(dú)立傳輸激光信號，并對反射棱鏡發(fā)回的信號進(jìn)行分析，從而獲得被檢測目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息。這種測量方法不會受到外部空氣壓力和陽光等條件的影響，在一天中的任何時間段都可以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

4.8 穿透性

激光本來就具備一定水平的穿透力，能夠直接穿過一些生長不太嚴(yán)密的植被，順利到達(dá)被監(jiān)測物體的表面，獲得大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只需要幾分鐘，而且還能夠精準(zhǔn)地描繪出被監(jiān)測物體的各個層面的幾何信息。

4.9 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，中國國內(nèi)的科學(xué)研究人員與技術(shù)生產(chǎn)工作者運(yùn)用三維激光掃描方法，在形變檢測領(lǐng)域中進(jìn)行了大量科研與生產(chǎn)實(shí)踐，內(nèi)容涵蓋了多個產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如建筑、鐵路隧道、橋梁、礦井、崩滑地質(zhì)災(zāi)害等。這些研究成果和應(yīng)用重點(diǎn)主要集中在檢測方法、信息處理、三維造型、結(jié)果獲取與大數(shù)據(jù)分析等方面，該技術(shù)的精度及其在應(yīng)用中所要求或?qū)崿F(xiàn)的精確度，都是實(shí)際工程中必須面臨的重要問題。

5 三維激光掃描儀在建筑物變形監(jiān)測中的相關(guān)問題

5.1 監(jiān)測成果“精度”

三維激光掃描技術(shù)的高精度出現(xiàn)在很多學(xué)術(shù)論文中，雖然它表面上可以對監(jiān)測物體做到高精度監(jiān)測，但其實(shí)使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測量時，必須在特定的條件支持下才可以實(shí)施，就好像不能分開評價它的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢一樣，其重點(diǎn)針對的是監(jiān)測物體表面模型的完整性。由于激光掃描采樣技術(shù)點(diǎn)的距離極小，從而得到的點(diǎn)云密度非常高，而且還不斷向真實(shí)物體的表面逼近，它擁有一體性的觀點(diǎn)，被人們認(rèn)為檢測到的準(zhǔn)確度非常高。

把它與鄰近點(diǎn)間距的精度相比較，哪怕人們通過許多試驗(yàn)證實(shí)它的準(zhǔn)確度超過了毫米級別，但在實(shí)際應(yīng)用中，許多不確定因素仍會對三維激光掃描儀產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的精度受限于其自身的精度、周圍復(fù)雜環(huán)境的限制，包括它自身的測角精度、測距精度、測距間距的遠(yuǎn)近、被監(jiān)測物體表面不平整、激光信號的反射強(qiáng)度、效率、入射的角度等因素，都會導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的不準(zhǔn)確，甚至累計的單點(diǎn)誤差值達(dá)到厘米級別甚至更低，所以達(dá)不到對建筑物變形的精密監(jiān)測要求。監(jiān)測工作范圍較廣，卻因?yàn)楸O(jiān)測對象和專業(yè)部門不同，其主要監(jiān)測的目的也會不一樣，對其監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)精度、認(rèn)識程度與要求也當(dāng)然不同[2]。不管是出于哪種監(jiān)測目的，或者綜合分析、補(bǔ)充高精度傳統(tǒng)單點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果，其準(zhǔn)確度以及能否達(dá)到工程監(jiān)測的要求都顯得尤為重要。在實(shí)際工作中，要著重關(guān)注提高準(zhǔn)確度的問題，并通過相應(yīng)的方法予以補(bǔ)償，從而真正達(dá)到工程監(jiān)測的需求。

5.2 優(yōu)選合適的掃描儀

監(jiān)測精度一般會依據(jù)被監(jiān)測物體的草皮掩蓋率、地表傾斜度、重要性與損毀程度和穩(wěn)定性狀況來判斷，并根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)要求和監(jiān)測范圍，選擇主要技術(shù)指標(biāo)較好的儀器，盡可能選擇較短的距離進(jìn)行測量，對面積比較大的地方必須分開進(jìn)行。

各階段監(jiān)測的掃描儀與標(biāo)準(zhǔn)布置的計劃目標(biāo)執(zhí)行一致以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，將掃描儀架設(shè)在固定的觀測地點(diǎn)，盡可能讓激光垂直投射到目標(biāo)物體上，保持一致的重疊度、測量距度以及采樣點(diǎn)之間的間距。利用監(jiān)測目標(biāo)物體的突出特征，對代替了單個變形監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)域進(jìn)行更精細(xì)的掃描，以此實(shí)現(xiàn)和擬合精確度同樣高的目的。

5.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用問題

三維激光掃描儀將發(fā)射的激光投射到物體上，然后將其反射回來，以此獲得大量離散點(diǎn)，從而產(chǎn)生原始點(diǎn)的云數(shù)據(jù)，包括一些不均衡、噪聲點(diǎn)等冗余信號，對監(jiān)測工作及后續(xù)監(jiān)測信號提取和分析沒有實(shí)用價值，因此必須作出正確的歸類取舍。

監(jiān)測與地形等其他測量工作不一樣，建議先將數(shù)據(jù)分類再應(yīng)用到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，大概分為：草皮及異常點(diǎn)、目標(biāo)物體表現(xiàn)點(diǎn)和地物體特征點(diǎn)等幾類；草皮及異常點(diǎn)這類數(shù)據(jù)與監(jiān)測工作毫不相關(guān)，可以直接除去；目標(biāo)物體地表表面點(diǎn)、地表表面固定物（如建筑物）本身就持有特征性能的點(diǎn)或者對監(jiān)測效率有價值的點(diǎn)，這些都可用作點(diǎn)、線、面的處理成果或提供的信息中，應(yīng)該留存。

5.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失

三維激光掃描技術(shù)不僅改變了傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)一定程度上的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，還廣泛應(yīng)用到各種監(jiān)測領(lǐng)域中，特別是對于道路高陡、危險的地方，以及工作人員不能到達(dá)的容易出現(xiàn)崩滑的危險地段，不能有效定向布控監(jiān)測點(diǎn)，或在臨界區(qū)域不能順利開展應(yīng)急工作的以及工作進(jìn)行中迫切需要統(tǒng)一技術(shù)指標(biāo)、確定工作方法和精度要求的，一些控制質(zhì)量的管理統(tǒng)一規(guī)范體系[3]。新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)因?yàn)槭褂梅秶鷱V而突顯出不少的新問題，因此需要迅速形成符合最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量監(jiān)測規(guī)程，以及規(guī)范性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，以保證新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行管之有度、控之有方，并做到對該新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測有規(guī)可循、經(jīng)濟(jì)合理，以保證在工程建設(shè)與運(yùn)營維持方面起到關(guān)鍵性的作用。

6 三維激光掃描儀在建筑物變形監(jiān)測應(yīng)用中的實(shí)際案例分析

單點(diǎn)定位在實(shí)際使用過程中的準(zhǔn)確度并不高，它只符合一般建筑工程的地質(zhì)測量要求。然而，對于建筑物變形監(jiān)測與要求的精度仍有一定的差異。利用三維激光掃描技術(shù)，可以快速獲取建筑結(jié)構(gòu)掃描結(jié)果的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且形成模型，因?yàn)榻ㄖ锉緛砭褪且粋€整體，所以利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，能夠獲得建筑的特征線，并通過這段特征線判斷建筑物有無發(fā)生改變。

6.1 布置監(jiān)測點(diǎn)并采集數(shù)據(jù)

在采空區(qū)上方有一個正在創(chuàng)建的煤化工施工項(xiàng)目，為更好地控制焦?fàn)t的變形狀態(tài)，因此設(shè)置了八個獨(dú)立的變形監(jiān)測點(diǎn)，確定其是否符合建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。選取GX200 掃描儀完成數(shù)據(jù)收集工作，在這項(xiàng)工作過程中，需要在每個監(jiān)測點(diǎn)都設(shè)置掃描儀，并對掃描儀視線范圍內(nèi)的建筑物進(jìn)行掃描。要得到更詳細(xì)、全面的焦?fàn)t內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，首選40mm×40mm分辨率開始進(jìn)行掃描。在掃描過程中，由于每個數(shù)據(jù)都是獨(dú)立存在的，因此有必要最大限度地擴(kuò)大兩個站點(diǎn)掃描內(nèi)容的重疊，可以方便后期云點(diǎn)的拼接。

6.2 數(shù)據(jù)處理

要使用Trimble Real Works Survey Advanced 處理軟件，處理所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因?yàn)槎螖?shù)據(jù)掃描過程都是獨(dú)立完成的，所以對采集到的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行坐標(biāo)匹配，當(dāng)點(diǎn)云匹配程序完成后，還要繼續(xù)實(shí)行去噪處理。利用上述數(shù)據(jù)處理，就能夠得到可靠完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。焦?fàn)t本身的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜而且體型又較大，所以如果通過焦?fàn)t數(shù)據(jù)對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形分析時，就會造成效率變低、而數(shù)據(jù)的處理速度很慢，甚至出現(xiàn)數(shù)量很多的情況。又由于焦?fàn)t結(jié)構(gòu)所采用的都是鋼體，局部和總體的變化效果都是相同的，所以，只要對焦?fàn)t特征明顯部分的變化加以提取和分解，就能夠獲得更高效率的準(zhǔn)確結(jié)論。

6.3 結(jié)果分析

通過對精確計算得出的變形傾斜的數(shù)值加以分析，便能夠明確發(fā)現(xiàn)如果變形傾斜具有統(tǒng)一性，所計算的平均數(shù)值便能夠視為建筑物的傾斜變化量，該變化量在數(shù)值體現(xiàn)上可能是正數(shù)也可能是負(fù)數(shù)。如果數(shù)值的大小不一樣，有必要從誤差理論的角度分析建筑物，討論其結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)變形。

如果從錯誤理論的角度來分析，可以發(fā)現(xiàn)是偶然誤差，換句話說，偏差的符號和大小是偶然的。如果從單項(xiàng)偏差的視角分析，每列中的偏差符號和大小沒有規(guī)則可循，不過，相對大量偏差總數(shù)據(jù)而言，也可以在一定程度上找到數(shù)據(jù)的規(guī)律。以此得出結(jié)論，建筑物沒有發(fā)生變形、傾斜的情況，而變形偏斜值也是因?yàn)橛^測誤差帶來的。

7 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)的領(lǐng)先，完全解決了傳統(tǒng)測量方法對建筑物變形固定式監(jiān)測的片面性，可以在很短的時間內(nèi)，利用掃描技術(shù)，獲得足夠準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而搞定了建筑物變形、傾斜監(jiān)測的基本要求。而且還對點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)行了數(shù)據(jù)分類處理，使建筑物的局部乃至整個構(gòu)體的相關(guān)變形數(shù)據(jù)都可直接顯現(xiàn)出來。不過，如果要對時間段不同的建筑物重新建立模型同時比較研究，就必須建立精確度高的三維模型。這項(xiàng)技術(shù)在這一方面還有很多上升空間。將傳統(tǒng)監(jiān)測技巧和三維激光掃描技術(shù)融入實(shí)際工作中，在發(fā)揮它們各自優(yōu)點(diǎn)的同時還可以創(chuàng)造更好的效果。