三維激光掃描在超高層傾斜監(jiān)測中的應(yīng)用

劉 斌 李樹文 楊 慧 孔 剛 郭慶坤 朱 君 隋儉武

(濟南市勘察測繪研究院, 山東 濟南 250001)

0 引言

隨著現(xiàn)代化施工工藝的提高,城市發(fā)展的加快,越來越多的超高層建筑作為區(qū)域地標(biāo)而建立,而超高層傾斜監(jiān)測一直是測量的重難點[1-3]。傳統(tǒng)的測量方法利用全站儀、激光測斜儀、數(shù)字正垂儀等進行超高層監(jiān)測,數(shù)據(jù)采集費時費力,數(shù)據(jù)處理結(jié)果不夠形象直觀,難以獲取建筑表面細節(jié)特征[4-6]。

三維激光掃描技術(shù)隨著科技的發(fā)展,利用激光快速掃描,無須接觸,便得到海量點云數(shù)據(jù),速度快、精度高,操作簡便,形象展現(xiàn)物體的三維信息,直觀表現(xiàn)立體模型,廣泛應(yīng)用于城市建筑物測繪[7]、建筑物模型建立[8-9]、建筑物立面改造[10-12]、基坑改造測繪[13]等領(lǐng)域,為復(fù)雜測量問題提供了全新的解決方案,三維激光掃描技術(shù)在超高層傾斜監(jiān)測領(lǐng)域,以建筑變形特征提取、模型建立與應(yīng)用、變化趨勢擬合等為主[14-15],為分析超高層傾斜變化提供幫助。

本文以濟南平安金融中心超高層建筑為例,對其進行三維激光掃描,通過點云配準(zhǔn)、模型擬合等過程,提取相應(yīng)高度角點坐標(biāo)進行傾斜率計算,通過與實測數(shù)據(jù)比較分析,驗證了此方法的可行性。

1 外業(yè)觀測

濟南平安金融中心位于濟南中央商務(wù)核心區(qū),項目由塔樓和商業(yè)裙房組成,其中，塔樓分為地上62層,地下3層(局部4層)。塔樓建筑總高度360 m。

建筑施工過程中及竣工驗收前,需對建筑上部結(jié)構(gòu)進行傾斜觀測,一般采用投點法選取塔樓外立面指定高度的四角進行傾斜監(jiān)測。此方法獲取的數(shù)據(jù)量少,逐點采集費時費力。鑒于此,選取天寶TX8三維激光掃描儀進行超高層建筑掃描。天寶TX8三維激光掃描儀以360°×317°的視場和每秒1 000 000點的數(shù)據(jù)獲取速度,可以快速高效地完成測量任務(wù),在其Extend模式下,測程可擴展至340 m?？捎行Τ邔雍诵耐策M行掃描,其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 天寶TX8三維激光掃描儀性能指標(biāo)

利用濟南平安金融中心外圍已知控制點(平面、高程分別采用二級導(dǎo)線、二等水準(zhǔn)進行測設(shè)),沿建筑東西兩側(cè)道路進行連續(xù)設(shè)站,測站間擺放標(biāo)靶球用于后續(xù)配準(zhǔn),測量線路及外業(yè)數(shù)據(jù)采集情況如圖1所示。

圖1 三維激光掃描線路示意圖

考慮到測量效率與時間情況,本次采用Level1模式掃描全景,Extend模式局部掃描的方法。本次掃描共設(shè)站22站,測站間隔約30 m, 測站任意架站,測站間擺放標(biāo)靶球用于配準(zhǔn),已知點上架設(shè)標(biāo)靶球用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 點云配準(zhǔn)

點云配準(zhǔn)是將觀測數(shù)據(jù)拼接到同一個基準(zhǔn)下,形成一個整體數(shù)據(jù)的過程。選取天寶點云數(shù)據(jù)處理軟件Trimble RealWorks進行數(shù)據(jù)處理。在點云配準(zhǔn)過程中主要包括點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、靶球提取、網(wǎng)平差等步驟。

2.1.1靶球提取

點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入后,利用測站間的標(biāo)靶球?qū)⒉煌瑴y站間點云進行配準(zhǔn),標(biāo)靶球識別提取時利用目標(biāo)分析器提取目標(biāo)靶球。本項目共測量22站,提取標(biāo)靶球120個,標(biāo)靶球的擬合精度如表2所示。

表2 標(biāo)靶球擬合精度統(tǒng)計分析表

從表2可知,標(biāo)靶球擬合精度均未超過1.5 mm,其中,擬合精度在1.0～1.2mm之間的占63%,占比最大,擬合精度小于1mm的占31%,比例次之,擬合精度在1.2～1.5mm之間的占6%,占比最小;標(biāo)靶球擬合精度最大值為1.5 mm,最小值為0.8 mm,平均值為1.0 mm。綜上所述,軟件進行標(biāo)靶球提取時的擬合精度較高。

2.1.2網(wǎng)平差

標(biāo)靶球提取完成后,導(dǎo)入已知點數(shù)據(jù)。利用基于名字的網(wǎng)平差,將點云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)融合,轉(zhuǎn)換到已知點坐標(biāo)系下,實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)向地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)平差基于最小二乘原理,實現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)的最佳轉(zhuǎn)換。本項目共選取6個已知控制點,均勻分布于掃描線路上,網(wǎng)平差后的不同測站間同名標(biāo)靶球殘差如圖2所示。

圖2 不同測站間同名標(biāo)靶球殘差統(tǒng)計示意圖

由圖2可知,配準(zhǔn)殘差小于1 mm的標(biāo)靶球占46%,1～2 mm的占39%,2～3 mm的占10%,3～4 mm的占3%,大于4 mm的占2%;標(biāo)靶球平均殘差為1.2 mm,最大殘差為4.0 mm,最小殘差為0.1 mm。綜上所述,本次點云利用標(biāo)靶球進行配準(zhǔn)精度較好。

已知點殘差統(tǒng)計如表3所示。

表3 已知點網(wǎng)平差殘差統(tǒng)計表

由表3可知,已知點殘差最大值為5.8 mm,最小值為0.9 mm,平均值為3.1 mm;有4個已知點均在2個測站間進行了掃描,不同測站之間殘差差值較小,最大殘差差值為1.6 mm,最小為0.7 mm,平均值為1.0 mm。綜上所述,利用已知點進行點云配準(zhǔn)精度好,滿足三等點云配準(zhǔn)后同名點內(nèi)符合精度(≤25 mm)要求。

2.2 點云建模

點云配準(zhǔn)完成后,為提取核心筒外立面指定高度處角點坐標(biāo),對點云數(shù)據(jù)進行分析建模,利用點云數(shù)據(jù)擬合模型,通過對擬合模型的數(shù)據(jù)分析,求得超高層建筑的傾斜變化。

2.2.1點云分割

超高層建筑隨著施工進度的變化核心筒逐漸內(nèi)收,本次點云數(shù)據(jù)掃描到指定高度處核心筒內(nèi)收前后完整數(shù)據(jù),掃描的核心筒位置縮略圖如圖3所示。

圖3 核心筒位置點云示意圖

項目傾斜監(jiān)測的主要對象是超高層建筑的核心筒位置,故首先對點云數(shù)據(jù)進行點云分割提取,利用點云分割提取工具,去除噪點,提取核心筒外立面規(guī)則點云數(shù)據(jù),便于后續(xù)建模使用。點云分割提取如圖4所示。

(a)分割去噪前

(b)分割去噪后圖4 點云分割示意圖

2.2.2點云建模

利用點云數(shù)據(jù)建模功能,根據(jù)分割提取的點云數(shù)據(jù)進行模型建立,擬合核心筒立體模型,核心筒模型建立如圖5的示意圖。

(a)提取點云數(shù)據(jù)

(b)擬合模型圖5 核心筒位置處點云建模示意圖

2.2.3數(shù)據(jù)提取

利用擬合模型構(gòu)建三角網(wǎng),利用平面分割工具,切割指定高度處三角網(wǎng)模型,生成指定高度處線框模型,利用坐標(biāo)提取工具,提取線框角點坐標(biāo)。數(shù)據(jù)提取過程如圖6所示。

(a)構(gòu)建三角網(wǎng)

(b)平面切割模型圖6 角點數(shù)據(jù)提取示意圖

提取核心筒模型外立面角點坐標(biāo),對超高層建筑的傾斜變化進行數(shù)據(jù)計算分析,角點坐標(biāo)內(nèi)收修正后利用十字交叉法確定擬合中心點坐標(biāo),利用上部核心筒擬合中心點與一層中心點確定傾斜變化量。

3 精度分析

通過角點坐標(biāo)提取,得到指定高度處核心筒外立面特征點坐標(biāo),并對其進行內(nèi)收修正,根據(jù)修正坐標(biāo)求得核心筒擬合中心點位置,擬合中心點采用軸角點十字交叉法確定坐標(biāo),提取角點坐標(biāo)及擬合中心坐標(biāo)與全站儀實測數(shù)據(jù)進行對比分析,差值情況如表4所示。

表4 模型提取坐標(biāo)與實測坐標(biāo)差值比較表 單位：mm

利用指定高度處中心點坐標(biāo)與一層中心點坐標(biāo)進行處理計算求得其傾斜變化率,傾斜變化率計算公式如下：

其中,x上、y上為上部核心筒中心點坐標(biāo);x1、y1為一層核心筒中心點坐標(biāo);h上為上部核心筒指定高程;h1為一層核心筒高程。

根據(jù)上式求得掃描儀數(shù)據(jù)的傾斜變化率、全站儀實測數(shù)據(jù)的傾斜變化率,兩者結(jié)果比較如表5所示。

表5 超高層傾斜變化率比較表

由表5可知,根據(jù)掃描儀擬合坐標(biāo)求得的傾斜值與全站儀實測數(shù)據(jù)求得的傾斜變化率差值較小,且均在變形允許控制值以內(nèi),滿足超高層傾斜監(jiān)測規(guī)范要求,證明了三維激光掃描儀在超高層傾斜監(jiān)測應(yīng)用中的可靠性。

4 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)因其無接觸性、掃描速度快、精度高等優(yōu)勢,越來越多地應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域。本文結(jié)合濟南平安金融中心傾斜監(jiān)測項目,利用三維激光掃描儀對其進行掃描,經(jīng)過標(biāo)靶球提取、點云配準(zhǔn)、點云分割去噪、點云建模、坐標(biāo)提取等步驟,擬合超高層建筑的核心筒模型,通過提取角點坐標(biāo)求得核心筒中心位置及傾斜變化率,通過與全站儀實測數(shù)據(jù)的對比分析,驗證了三維激光掃描儀在超高層傾斜監(jiān)測中應(yīng)用的可靠性,為超高層傾斜監(jiān)測等類似項目提供了一種新的解決方案。