四川蘆山地區(qū)農(nóng)村典型民居LiDAR點云背景值分析

摘要：使用地基三維激光掃描儀，采集了2013年四川蘆山7.0級地震災(zāi)區(qū)農(nóng)村典型民居基本完好砌體建筑物140個獨立墻面的高精度LiDAR點云數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差原理，采用統(tǒng)計回歸分析方法，對LiDAR數(shù)據(jù)進行了處理，分析和驗證LiDAR點云數(shù)據(jù)背景值區(qū)間。結(jié)果表明：蘆山地區(qū)農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物墻面的LiDAR點云數(shù)據(jù)背景值區(qū)間為0～0.45 cm，并證實其合理性。

關(guān)鍵詞：LiDAR；點云；背景值；典型民居；砌體建筑；蘆山7.0級地震

中圖分類號：P315.94文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2024）04-0579-09

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0044

0引言

激光雷達或激光測距儀（Light Detection and Ranging，簡稱LiDAR），是近年快速發(fā)展的一種主動測量技術(shù)。地基激光雷達（Terrestrial Laser Scanning，簡稱TLS）作為一種地面LiDAR技術(shù)，結(jié)合了掃描機制、激光測距系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)來重構(gòu)地物三維結(jié)構(gòu)。近年來，地面LiDAR技術(shù)在三維建模、文物保護、變形監(jiān)測、森林結(jié)構(gòu)調(diào)查、建筑物幾何質(zhì)量評估等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用（李瑞雪，2019；李悅等，2023）。TLS可實現(xiàn)對象目標(biāo)物的快速掃描，能夠探測到建（構(gòu)）筑物更多細(xì)節(jié)信息，主要包括建筑物結(jié)構(gòu)的變形和損傷，建筑物墻體的剪切開裂、墻面脫落及承重構(gòu)件的損傷，還可以獲得諸如墻體傾斜、裂縫空間分布、體積和位置變化計算等更多測量數(shù)據(jù)（Yang et al，2021）。TLS高精度數(shù)據(jù)的獲取為提取偏差較小、肉眼無法識別的建筑物破壞特征及嚴(yán)重破壞不易近距離測量的建筑物提供了技術(shù)幫助。尤其是在地震后使用TLS掃描看似安全的建筑物，以確保不存在視覺上可能無法檢測到的重大變形（Liu et al，2013）。

地面攝影測量是一種準(zhǔn)確的地震損害快速評估方法（Vasilakos et al，2018）。利用三維激光掃描儀對建（構(gòu)）筑物進行掃描，不僅可以獲得建（構(gòu)）筑物高精度平面數(shù)據(jù)信息（趙傳等，2017；杜浩國等，2023），還能獲取建（構(gòu)）筑物垂直于平面的變形信息，為震后建（構(gòu)）筑物的震害等級定量分析提供高精度數(shù)據(jù)支撐，提高了建（構(gòu)）筑物中肉眼難辨的傾斜和變形識別認(rèn)知度及震害信息的判別精度，尤其適用于地震現(xiàn)場建筑物震害調(diào)查過程中對基本完好、輕微破壞建筑物的識別和判定以及震后建筑物的安全性評價。

在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用中，Li 等（2020）將用TLS獲取的高精度數(shù)據(jù)結(jié)合最小二乘法，應(yīng)用于建筑物平面規(guī)整度的質(zhì)量評價；Makuch和Gawronek（2020）基于三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，利用主成分分析和區(qū)域增長算法進行自動檢測，提高了建筑物外立面測量的精度和工作效率，為局部表面修復(fù)的幾何特征分析提供參考依據(jù)；Jiang等（2017）和 Jiao等（2019）提出了基于地基LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物形狀分析模型，有效解決了建筑物等高多邊形序列提取、形狀離散參數(shù)提取、不規(guī)則建筑物區(qū)塊分割與震害分析等問題；Jiang等（2018）采用平面三角剖分建模方法構(gòu)建三角形不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，基于裂縫寬度的反距離加權(quán)點云光柵化方法生成柵格曲面，根據(jù)裂縫的形狀特征提取震后建筑物墻體裂縫相關(guān)信息。為了提高建筑物震害信息提取精度和破壞程度判定的準(zhǔn)確性，該技術(shù)逐漸被應(yīng)用到地震災(zāi)后現(xiàn)場工作中。

2008年汶川8.0級地震后，地基三維激光掃描儀首次被應(yīng)用于震后建筑物的震害信息識別提取中。地基三維激光掃描儀采集的高精度LiDAR數(shù)據(jù)，能夠解決地震現(xiàn)場工作對基本完好、輕微破壞、中等破壞建筑物識別判定模糊的問題，但需要首先確定建筑物震害信息提取背景值區(qū)間。針對墻面LiDAR點云趨于平面的背景區(qū)間值，本文采集了2013年四川蘆山7.0級地震后經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查判定為基本完好的砌體建筑物的LiDAR點云數(shù)據(jù)，分析和驗證LiDAR點云數(shù)據(jù)背景值區(qū)間。

1數(shù)據(jù)和方法

1.1數(shù)據(jù)采集

蘆山7.0級地震是繼汶川8.0級地震后，龍門山斷裂帶發(fā)生的又一次強烈的破壞性地震。此次地震共造成四川省21個區(qū)縣受災(zāi)，等震線長軸呈NE向分布，災(zāi)區(qū)最高烈度為Ⅸ度，Ⅵ 度及以上烈度區(qū)總面積為18 682 km2。其中：Ⅸ 度區(qū)東北自蘆山縣太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)以北，西南至蘆陽鎮(zhèn)向陽村；Ⅷ 度區(qū)東北自蘆山縣寶盛鄉(xiāng)漆樹坪村，西南至天全縣興業(yè)鄉(xiāng)，西北自寶興縣靈關(guān)鎮(zhèn)，東南至名山城區(qū)；Ⅶ 度區(qū)東北自蘆山縣大川鎮(zhèn)，西南至滎經(jīng)縣龍蒼溝鎮(zhèn)崗上村，西北自天全縣紫石鄉(xiāng)，東南至洪雅縣漢王鄉(xiāng)，Ⅵ 度區(qū)東北自大邑縣新場鎮(zhèn)李家山村，西南至甘洛縣兩河鄉(xiāng)，西北自瀘定縣嵐安鄉(xiāng)，東南至丹棱縣楊場鎮(zhèn)（李志強等，2013）（圖1）

2013年8月，中國地震局地質(zhì)研究所地震與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險研究室工作人員進入蘆山地震災(zāi)區(qū)，使用Trimble GX200三維激光掃描儀在Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度區(qū)進行震后建筑物L(fēng)iDAR數(shù)據(jù)采集，采樣點要分布于蘆山縣、寶興縣、天全縣、滎經(jīng)縣、雅安市、名山縣等。采樣點中基本完好建筑共采集91站（表1）。在數(shù)據(jù)采集過程中，為提高工作效率，每個建筑物采用夾角式掃描，即同時采集建筑物的正面和側(cè)面；為降低坐標(biāo)誤差，采用相對坐標(biāo)的形式，即三維激光掃描儀所在點為控制點坐標(biāo)。采集到的砌體建筑物原始三維點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

本文采集震后基本完好砌體結(jié)構(gòu)建筑物共75個站點，提取到140個外獨立墻面，主要包括：①磚木結(jié)構(gòu)，其建筑特點是：磚墻砌體，沒有采取抗震設(shè)防措施，屋頂為平屋頂或人字屋頂?shù)哪玖汉屯咂?；②磚混結(jié)構(gòu)（非設(shè)防），其建筑特點是：建筑成本低廉，不具備抗震設(shè)防構(gòu)造，承重墻為磚砌體，沒有鋼筋水泥混凝土柱和梁，屋頂為預(yù)制板；③磚混結(jié)構(gòu)（設(shè)防），其建筑特點是：有抗震設(shè)防構(gòu)造，在墻角有構(gòu)造柱與墻面共同承重，構(gòu)造柱的厚度與墻體厚度相同，一樓、二樓屋頂為鋼筋水泥澆筑，同時配有承重梁和地圈梁，開間較大（張令心等，2019）。由于采集到的木結(jié)構(gòu)建筑和框架結(jié)構(gòu)建筑LiDAR點云數(shù)據(jù)較少，因此未開展點云背景值研究。

在站點1 采集到的砌體建筑物墻面的原始數(shù)據(jù)中，X、Y、Z為點云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)空間位置信息，在數(shù)據(jù)采集過程中使用的是儀器相對坐標(biāo)，單位為mm；Scalar為信號反射強度；Red、Green、Blue為點云數(shù)據(jù)顏色信息；N_x、N_y、N_z為點云數(shù)據(jù)法線信息（表2）。

從采集到的點云數(shù)據(jù)及可視化圖像（圖2）可以看出，三維激光掃描儀的點云數(shù)據(jù)具有以下特點：點云密度高、點云數(shù)據(jù)量大、包含目標(biāo)物光學(xué)特征信息及反射強度信息、儀器原始掃描數(shù)據(jù)能夠自動計算生成法線信息。

1.2計算方法

采集過程中，受外界環(huán)境及儀器設(shè)備自身的干擾影響，如水汽、光折射、障礙物以及目標(biāo)物本身，點云數(shù)據(jù)會產(chǎn)生異常值，會增加數(shù)據(jù)量的冗余。異常值類型包括漂移點、孤立點、冗余點、混雜點。為了提高點云數(shù)據(jù)后期分析的精準(zhǔn)性，需要進行濾波去噪、分割、提取、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換處理，以達到分析需求的格式要求（楊凡，2022；王斌等，2023）。

在數(shù)據(jù)處理過程中，最關(guān)鍵的是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)在采集過程中使用的是儀器相對坐標(biāo)，在震害信息提取過程中會產(chǎn)生誤差，不能夠呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的真實性，同時掩蓋了震害特征信息。本次數(shù)據(jù)采集通過儀器自帶的realworks軟件提供的基本功能進行點云去噪、濾波處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等，將原始數(shù)據(jù)提取為獨立墻面，定義墻體點云數(shù)據(jù)的左下角為原點坐標(biāo)X、Y、Z的起點（0，0，0），對處理后的數(shù)據(jù)按照單位為m的規(guī)范進行轉(zhuǎn)存。對原始LiDAR點云數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果見表3，其中X為橫坐標(biāo)，Y為縱坐標(biāo)，Z為變形值。

利用Matlab代碼讀取加載砌體建筑物墻面的LiDAR數(shù)據(jù)，獲取墻面LiDAR點云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)值X、Y、Z。其中X為墻面的長度，Y為墻面的高度，Z為垂直于墻面的起伏變形量。若Z值為正，則該點為垂直于墻面向內(nèi)凸出；若Z值為負(fù)，則該點為垂直于墻面向外凸出（圖3）。Z值的起伏變化，代表了墻面平整度，Z值趨于平面的起伏變化區(qū)間值的計算方法如下：

2計算結(jié)果

受居民自建房屋門窗洞口位置的隨意性、抹灰不均勻性及點云邊緣效應(yīng)等影響，一些噪點會增加墻面點云背景值的誤差。為了降低點云噪點對墻面點云背景值表征參數(shù)分析的影響，本文測試了2種方法。方法1：在對獨立墻面LiDAR點云數(shù)據(jù)濾波去噪處理時，提高門窗洞口及墻面邊緣點云的裁減范圍，只保留屬于墻面的點云數(shù)據(jù)，該方法可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速批處理，不足之處是容易將涵蓋震害信息的點云剔除，不利于后期震害信息數(shù)據(jù)的提取分析。方法2：在保留墻面LiDAR點云數(shù)據(jù)完整性的基礎(chǔ)上，利用剖面分析的方法提取計算墻面點云數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，將所有剖面提取的點云數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差取平均值，即為該墻面LiDAR點云數(shù)據(jù)的背景值，剖面數(shù)量越多分布越均勻，計算的墻面點云背景值越精確。

本文利用上述2種方法對無門窗洞口墻面（圖4a）和有門窗洞口墻面（圖4b）的LiDAR點云數(shù)據(jù)進行剖面提取分析，對墻面采用6條均勻分布剖面網(wǎng)格（表4）。經(jīng)過對比分析得出，受點云邊緣噪點的影響，方法1得到的墻面背景值偏大，方法2能夠有效避免自建房屋門窗洞口及墻面的邊緣噪點產(chǎn)生的誤差，計算得到的墻面點云背景值更準(zhǔn)確，因此采用該方法進行計算分析。

使用方法2對140個獨立墻面數(shù)據(jù)進行剖面分析，利用式（3）計算每個獨立墻面上6條剖面的標(biāo)準(zhǔn)差（表5）。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計回歸分析得出建筑物140個獨立墻面LiDAR點云背景值正態(tài)分布圖（圖5）。得到四川蘆山地區(qū)農(nóng)村民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物的地基LiDAR點云數(shù)據(jù)背景區(qū)間值為0～0.45 cm。當(dāng)垂直于墻面的起伏變形量在0～0.45 cm時，建筑物墻面即可判斷為無震害信息;若起伏變形量大于0.45 cm時，則該點為垂直于墻面向內(nèi)或向外凸出。

四川蘆山地區(qū)農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物多數(shù)為兩層建筑，少數(shù)為一層和三層建筑。為了保留地基LiDAR數(shù)據(jù)建筑物震害信息的完整性，參照《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50203—2011）中墻面垂直度每層允許偏差5 mm的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本文背景值相關(guān)研究，證實了用地基LiDAR數(shù)據(jù)確定農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物背景區(qū)間值的合理性。

3結(jié)論

本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差原理，采用統(tǒng)計回歸分析方法，對在2013年蘆山7.0級地震災(zāi)區(qū)采集到的基本完好砌體建筑的140個獨立墻面的地基LiDAR數(shù)據(jù)進行了計算分析，結(jié)合《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》，對基于高精度地基LiDAR數(shù)據(jù)提取的農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物背景值進行評價，得到四川蘆山地區(qū)農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物的背景值區(qū)間為0～0.45 cm。

寧夏回族自治區(qū)地震局李自芮等參與采集震區(qū)數(shù)據(jù)，中國地震局地質(zhì)研究所聶高眾研究員在數(shù)據(jù)分析方面提出了寶貴意見，中國地震局地質(zhì)研究所魏占玉研究員在點云數(shù)據(jù)處理方面提供了幫助和支持，在此一并表示衷心感謝。

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Analysis of the LiDAR Point Cloud Background Values of the Typical，

Rural，Residential Houses in Lushan，Sichuan Province

YANG Fan1，2，3，WEN Chao2，F(xiàn)AN Zhiwei2，LIU Xiaodan2，LI Xiaoli4，LI Zhiqiang4，WANG Xiaoshan1，2

（1.Hebei Hongshan National Observatory on Thick Sediments and Seismic Hazards，Xingtai 055350，Hebei，China）

（2.Hebei Earthquake Agency，Shijiazhuang 050021，Hebei，China）

（3.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China）

（4.China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

Abstract

Using a terrestrial laser scanner，we collect the high-precision LiDAR point cloud data of the independent walls of the barely damaged masonry structures of the typical residential houses in rural areas hit by the 2013 Lushan，Sichuan MS7.0 earthquake.Then，on the basis of the standard deviation principle，and using statistical regression method，we process the obtained LiDAR data.We find that the interval of background values of the LiDAR point cloud data is 0-0.45 cm.

Keywords：LiDAR；point cloud；background value；typical rural houses；masonry structure；the Lushan MS7.0 earthquake