三維激光掃描技術在高層建筑變形監(jiān)測中的應用

李仁忠，劉潔

（重慶市勘測院重慶400020）

三維激光掃描技術在高層建筑變形監(jiān)測中的應用

李仁忠，劉潔

（重慶市勘測院重慶400020）

本文介紹了三維激光掃描測量的原理及特點、儀器測試及站點選擇、誤差成因及數(shù)據(jù)處理的理論與方法、使用三維激光掃描技術對重慶世貿大廈進行研變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，討論了三維激光掃描技術應用在變形監(jiān)測領域內的可行性、技術優(yōu)勢和存在的問題，并將地面三維激光掃描技術與常規(guī)變形監(jiān)測方法進行對比，得到定量的分析結果，具有典型的代表意義和社會經濟價值。

變形監(jiān)測；三維激光掃描；重慶世貿大廈

1 引言

重慶是山地城市，高樓林立，它們的安全運營、使用直接關系到人民的安全。城市高層建筑的變形觀測及安全監(jiān)測是維護建筑物正常使用的必要技術措施。變形監(jiān)測的技術手段多種多樣，目前主要采取的方法有：常規(guī)測量、GPS測量、傳感測量等。常規(guī)變形監(jiān)測是基于點的測量，信息有限、效率低、安全隱患大、耗時多、受環(huán)境影響大。近年來，三維激光掃描測量技術的發(fā)展，已在文物古建筑保護、施工檢測、地質災害監(jiān)測方面有應用，但在建筑變形監(jiān)測方面的應用實例較少，未形成體系。

將地面三維激光掃描技術引入到高層建筑變形監(jiān)測領域，具有極大的現(xiàn)實意義，是目前的發(fā)展趨勢。重慶解放碑的世貿大廈是重慶的標志性建筑，是西南地區(qū)的第一高樓。該大樓設計裙樓為8層，主樓為60層，地下5層；平街層地面標高為251m。本文以重慶世貿大廈的變形監(jiān)測為例，通過對地面三維激光掃描技術的測量工藝流程和變形監(jiān)測的試驗研究，探索三維激光掃描技術在變形監(jiān)測領域的理論方法，從而進一步推動三維激光掃描技術在測繪領域的應用。

2 地面三維激光掃描技術原理及特點

圖1 掃描原理圖

2.1 工作原理

X=Ssinθsinα

Y=Ssinθcosα(1)

Z=Scosθ

激光掃描儀的測距方法是根據(jù)光學三角測量的原理(見圖1)，以激光作為光源，通過掃描儀內的發(fā)射裝置，將激光束投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，通過測量每個激光脈沖，從發(fā)出經被測物表面再返回儀器所經過的時間或相位差，計算出激光掃描儀到物體掃描點之間的距離值S和反射強度I，α、θ和S被用來計算激光打在被測物體上的掃描點的三維坐標（見公式1），掃描點的反射強度I則用來給反射點匹配顏色。這樣就能夠獲取被測對象表面每個采樣點的空間立體坐標，從而得到被測對象的離散采樣點集合，即激光點云。α、θ的大小由掃描控制模塊控制，反映的是分辨率。因此，掃描儀根據(jù)應用目的不同，選擇距離S和角分辨率，角值越小，點云越多，模型更精細，紋理更清晰。

2.2 地面三維激光掃描技術的特點

（1）測量速度快、效率高，最高達5000點/秒。

（2）信息量豐富，以大量的點云坐標代表監(jiān)測體，且?guī)в薪ㄖw表的紋理信息。

（3）測量的準確性高，精度根據(jù)儀器型號、距離遠近、反射面的反射程度不同而有差異，能滿足10mm-0.003mm的精度。

（4）非接觸測量，有利于保護被測物體，無需埋點，節(jié)省資金和時間，減少了安置反射標志帶來的安全隱患。

采用地面三維激光掃描技術能夠快速、連續(xù)、自動地獲取高精度、高密度的三維數(shù)據(jù)，獲得的三維點云具有廣泛的應用性。

3 儀器測試及站點選擇

3.1 儀器選擇及可行性分析

為落實三維激光掃描儀在山城地區(qū)標稱精度，在空曠道路邊選取四段距離，儀器與目標間隔約50m、150m、220m、300m，首先用Lcia2003全站儀（0.5秒，1+1PPm）配棱鏡測出三段距離，在腳架、基座不動，儀器中心、目標中心、高度相同的情況下，用Trimble GX 3D配標靶面測出三段距離進行比較，見圖2，比較結果見表1。

由表1可知，在50m內，掃描精度能滿足一級變形精度要求，在150m內能滿足二級變形精度要求，220m內能滿足三級變形精度要求，300m附近只能用于變形量較大的監(jiān)測對象，能反映出監(jiān)測體的變化趨勢。

圖2 儀器測試

表1 全站儀與掃描儀測距比較數(shù)據(jù)

3.2 建筑物掃描試驗

為檢定掃描儀短距離掃描建筑體的精度，選擇了距設站91m的“女人廣場”建筑體進行了連續(xù)4次掃描，該建筑體墻面為瓷磚襯砌，與激光束基本垂直，反射效果好，見圖3，各期結果統(tǒng)計見表2。

圖3 建筑掃描測

表2 距離100m內掃描大樓變形量模型統(tǒng)計表

由表2可見，變形量(Δ)大于10mm為粗差，排除粗差后，各次掃描數(shù)據(jù)點云比較差值較小，最大值為3.0mm，最小值為1.1mm，中誤差為0.8mm，按二級變形觀測規(guī)范要求平面點位誤差為2.5mm，限差為4.2mm（兩次之差取限差3.0的√2倍），滿足規(guī)范要求。就是說在150m內，三維激光掃描用于建筑體的變形監(jiān)測能滿足規(guī)范要求。

3.3 掃描站點選擇

根據(jù)儀器的精度，通過多次對掃描場地進行踏勘，確定了合理的設置儀器架設方案。根據(jù)方案要求，觀測高度角應小于30度，距離在100m～200m，因解放碑世貿大廈大樓外全部裝飾，大部份為幕墻玻璃，為避免全透射情況發(fā)生，選擇解放碑世貿大廈樓頂上的“中央商務區(qū)”標志為高層建筑掃描監(jiān)測目標，利用世貿大廈施工監(jiān)測時布設的基準網(wǎng)點SM2、SM3為起算點，引測2個工作基點TP1、TP2，使得站點至建筑物間的距離在130m左右，便于掃描儀和全站儀同時進行觀測，如圖4所示。選擇天寶公司的Trimble FX 3D掃描儀，該儀器最大測程為350m，在100m內其點間距為2.5mm，模型化后一般能夠達到2mm的點位精度。

圖4 世貿大廈掃描

4 點云數(shù)據(jù)誤差成因及后處理

4.1 誤差的成因及影響

影響地面三維激光雷達采樣數(shù)據(jù)精度的因素較多，主要包括：步進器的測角精度、儀器的測時精度、激光信號的信噪比、激光信號的反射率、回波信號的強度、背景輻射噪聲的強度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測點間的距離、儀器與被測目標面所形成的角度等。

這些影響因素直接導致了相應誤差的產生。在不考慮信號測量誤差的影響下，地面激光雷達的采樣數(shù)據(jù)的精度主要取決于激光光斑的尺寸和光斑的點間距，這是影響其分辨率的主要因素。通常情況下，激光掃描數(shù)據(jù)的模型精度要顯著高于單點的精度，可以考慮通過設立標靶、球形目標的坐標來改正點云的坐標，提高掃描模型的精度。

4.2 粗差剔除

原始點云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差、錯誤和無關信息。盡管激光雷達具有一定的穿透能力，但激光掃描采集得到的數(shù)據(jù)仍然存在前景遮擋后景的現(xiàn)象、飛鳥或其他游離在視場內的目標產生的數(shù)據(jù)、局部的跳變數(shù)據(jù)和激光穿透窗戶或照射目標完全吸收了激光信號等情形。這些粗差的剔除是掃描數(shù)據(jù)處理的一個關鍵，目前主要采用的是人工交互操作來實現(xiàn)。

將世貿大廈截取大樓頂部“中央商務區(qū)”標示區(qū)作為掃描面，人工編輯剔除粗差，得到的結果如圖5所示。因大樓表面墻體是鋁合金裝飾材料，不利于掃描，大部分的激光點被散射掉，獲得的點云密度不高。

圖5 世貿大廈編輯后的點云數(shù)據(jù)

4.3 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

將掃描得到的前后兩期點云數(shù)據(jù)進行對比分析。用一組等間距的橫向或縱向的截面截取兩個掃描面，得到相同位置處兩個掃描面之間點云的位移，即可將其視為兩個時期的變形量。根據(jù)需求控制截面的間距，可得到密度不同的結果。

圖6 世貿大廈兩期點云數(shù)據(jù)的變形量分析圖

將世貿大廈編輯后的相鄰兩期離散點云數(shù)據(jù)疊加在一起，用上述方法進行比對后，得到變形量的統(tǒng)計結果，如圖6所示。變形量按照其大小用不同的顏色來表示，由此可以直觀地看出變形的分布情況。由變形量的變化范圍可知，編輯后的點云仍含有一定的粗差點。將后面三期的點云數(shù)據(jù)，分別與第一期數(shù)據(jù)進行比對，得到累計變形量。將變形量的可視化結果局部放大，如圖7所示。圖7中的若干短線即為該位置處兩個掃描面間的距離，短線的長度值即為兩期觀測值間的變形量。

圖7 變形量可視化結果局部放大圖

5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

由于世貿大廈表面墻體是鋁合金裝飾材料，編輯后的激光點云數(shù)據(jù)仍然存在大量的粗差點。因此，將變形量在20mm外的點視為粗差點，將20mm內的變形量作為有效數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并將統(tǒng)計得到的平均變形量作為世貿大廈各期激光點云數(shù)據(jù)間的變形量。在用地面三維激光掃描系統(tǒng)對世貿大廈進行掃描的同時，也使用常規(guī)測量方法對其進行變形觀測，得到各期同一時刻對應的觀測數(shù)據(jù)。將兩種方法得到的變形量進行比較，結果如表3所示。

表3 激光掃描與傳統(tǒng)觀測變形量比較表

用三維激光掃描技術與常規(guī)觀測方法分別對世貿大廈進行測量，得到相鄰兩期及各期累計的變形量變化趨勢，如圖8所示。由統(tǒng)計結果可以看出：常規(guī)觀測方法是基于點的測量，得到的變形點的變形量起伏較大；而三維激光掃描方法是基于面的測量，測量出的平均變形量起伏較為平緩，更能反應出目標建筑整體的變形情況。兩種方法因變形量表示方式的差異，而有少量的偏差，但結果基本一致，均反映世貿大廈因受風力和日照等因素的影響處于動載中的情況。

圖8 世貿大廈激光掃描與傳統(tǒng)觀測變形量變化趨勢圖

6 結語

地面三維激光掃描技術正被越來越多地應用于各個領域，對三維激光掃描技術應用于高層建筑的變形監(jiān)測時，站點選擇應控制掃描距離在150m內，保證掃描精度，滿足規(guī)范要求。地面三維激光掃描技術作為一項全新的測量技術，與其相關的精度評定以及誤差理論等，都還在探索過程中，有待進一步研究完善。將三維激光掃描技術應用于建筑物變形監(jiān)測領域，具有良好的應用前景和可行性，是目前的發(fā)展趨勢。

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責任編輯：余詠梅

Application of Three-Dimension Scanning Technology in Transmogrification Monitoring in High-Rises

This article describes the principle concerning Three-Dimension Scanning Technology，instrument testing and the choice of monitoring stations.It also deals with the causes of errors，data processing theory and how it is used in Transmogrification Monitoring in Chongqing's World-Trade High-Rise.The article exclusively focuses on the feasibility study concerning the relative fields and the advantages and disadvantages.Finally，a comparison is made concerning the ground Three-Dimension Scanning Technology with Transmogrification Monitoring to enable a quantitative analysis. Therefore，it is of typical social significance and economic values.

transmogrification monitoring;three-dimension scanning technology;Chongqing's world-trade high-rise

TU113.2

：A

：1671-9107（2010）10-0042-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.10.042

2010-6-24

李仁忠（1964-），男，本科，高級工程師，主要從事測繪管理與研究。

劉潔（1980-），女，博士，主要從事攝影測量與遙感、三維激光掃描等方面的研究。