激光掃描技術(shù)在建筑變形監(jiān)測中的研究

王芬旗，吳敦，廖佳，施斌，何勁源

(寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042)

1 前 言

作為前沿科技，地面三維激光掃描技術(shù)在文物古建筑保護(hù)、施工檢測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等方面有較為廣泛的應(yīng)用，但在建筑物變形監(jiān)測方面的應(yīng)用實(shí)例較少，未形成體系。將地面三維激光掃描技術(shù)引入到建筑變形監(jiān)測中，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

城市高層建筑的變形觀測及安全監(jiān)測是維護(hù)建筑物正常使用的必要技術(shù)措施。變形監(jiān)測的技術(shù)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。利用常規(guī)測量方式進(jìn)行變形監(jiān)測，需要在變形體上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，由于監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量有限、測量效率低、受雨霧影響大，新技術(shù)的研究和引入對(duì)于提高變形監(jiān)測效率有重要的意義。

通過對(duì)地面三維激光掃描技術(shù)的測量原理、測量工藝流程和變形監(jiān)測方法的研究，探索了激光掃描技術(shù)在建筑變形監(jiān)測領(lǐng)域的可行性，從而進(jìn)一步推動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 建設(shè)變形監(jiān)測工程控制網(wǎng)

利用全站儀建設(shè)變形監(jiān)測工程控制網(wǎng)，具體工作內(nèi)容為完成變形監(jiān)測控制網(wǎng)點(diǎn)位的選埋和測量工作，主要包括點(diǎn)位選埋、高程控制和平面控制。控制點(diǎn)的選擇應(yīng)保證通視性及對(duì)建筑物有足夠的觀察視角。在沉降穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，保證通視的前提下，在規(guī)劃大廈周邊選點(diǎn)5 個(gè)，其中按一級(jí)水準(zhǔn)和二級(jí)導(dǎo)線控制。

硬件配置上，滿足項(xiàng)目需要，確保項(xiàng)目的進(jìn)度不受影響。投入使用的測量儀器，應(yīng)在有效的檢定周期內(nèi)，確保成果精度的可靠性，擬投入的硬件如表1所示。

項(xiàng)目投入儀器設(shè)備情況表 表1

平面控制網(wǎng)采用自由網(wǎng)形式，故坐標(biāo)系統(tǒng)為獨(dú)立工程坐標(biāo)系，坐標(biāo)零點(diǎn)為虛擬點(diǎn)(以K01 為原點(diǎn)的正西南方處)，北方向(X 方向)為KZ05－KZ01 方向，東方向(Y 方向)為與北方向垂直的右方向，如圖1 所示。

圖1 平面和高程控制網(wǎng)

高程控制網(wǎng)采用自由網(wǎng)形式，高程原點(diǎn)為K01，并設(shè)K01 高程為3 m，如表2 所示。

平面和高程控制網(wǎng)成果表 表2

閉合導(dǎo)線成果質(zhì)量說明:

(1)導(dǎo)線平均點(diǎn)位誤差為1.2 mm，精度最弱點(diǎn)為K04，其中誤差為1.42 mm，

(2)導(dǎo)線測邊相對(duì)精度為1/163200，最弱邊為K03－K04，其相對(duì)精度為1/89000，

(3)導(dǎo)線角度閉合差為21.6″，邊長閉合差為15.2 mm，導(dǎo)線全長相對(duì)閉合差為1/33294，

(4)導(dǎo)線測量成果符合變形監(jiān)測控制測量三級(jí)導(dǎo)線測量精度要求。

水準(zhǔn)測量成果質(zhì)量說明:

①水準(zhǔn)測量高差中誤差為0.43 mm/km，符合一等水準(zhǔn)0.45 mm/km限差要求，

②水準(zhǔn)環(huán)閉合差為－0.33 mm，符合一等水準(zhǔn)“2倍閉合環(huán)長度開方”要求。

3 基于全站儀和激光掃描儀變形監(jiān)測

3.1 最佳布站距離

掃描儀到掃描對(duì)象的距離越大，測距精度越低，而且采樣分辨率低，產(chǎn)生噪聲就大。以某品牌掃描儀3 min工作檔位為例，在長50 m的場地起點(diǎn)位置放置好靶標(biāo)球，依次在靶標(biāo)球距測站的距離10 m、20 m、30 m、40 m和50 m進(jìn)行不同位置兩次掃描測試。測試結(jié)果顯示，某品牌掃描儀3 min工作檔位，30 m范圍內(nèi)布置靶標(biāo)球，既能使得點(diǎn)云數(shù)量不至于過于龐大，又能使得點(diǎn)云配準(zhǔn)精度得到保障，從而提高工作效率。如圖2 所示:

圖2 某品牌掃描儀3 min 檔位最佳掃描距離研究試驗(yàn)

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

根據(jù)精度和環(huán)境要求，選擇合適的三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行掃描采集數(shù)據(jù)。在建筑物周身粘貼合適的反射標(biāo)靶，通過3 個(gè)或以上的標(biāo)靶中心確定的平面作為橫截面提取的基準(zhǔn)面。該標(biāo)靶也是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中的點(diǎn)云配準(zhǔn)的重要信息。在測站兩側(cè)無遮擋的內(nèi)布置好6 個(gè)以上的靶標(biāo)球，每側(cè)至少3 個(gè)，用于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，根據(jù)不在同一直線的3 點(diǎn)決定一個(gè)平面的原則，放置靶標(biāo)球時(shí)應(yīng)不處于同一直線上，并盡量分散放置，變形監(jiān)測流程如圖3 所示。

圖3 變形監(jiān)測流程

3.3 激光掃描儀和全站儀之間的測量誤差分析

掃描儀系統(tǒng)誤差模型的完善。地面三維激光掃描儀的檢校中，采用的誤差模型是基于全站儀的誤差模型，掃描儀的結(jié)構(gòu)與全站儀的結(jié)構(gòu)不同，有必要進(jìn)一步深入研究地面三維激光掃描儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探討和完善掃描儀系統(tǒng)誤差模型。因?yàn)樗褂玫娜緝x為高精度全站儀，故以全站儀所測值為真值，點(diǎn)云拼接結(jié)果與全站儀數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出中誤差。

中誤差公式:

限于篇幅，僅以第一期激光掃描數(shù)據(jù)與全站儀測繪數(shù)據(jù)比較得知:三維激光標(biāo)靶點(diǎn)的測量具有很高精度，激光掃描技術(shù)完全可以適用于高精度的變形監(jiān)測領(lǐng)域，如表3、表4 所示。

第一期測量數(shù)據(jù)比較 表3

第一期點(diǎn)精度分析 表4

4 建筑變形分析

將前后兩期掃描得到的中軸線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，提取變形信息。同時(shí)，為進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，可擬合得到兩期掃描中標(biāo)靶中心確定的基準(zhǔn)面的中心坐標(biāo)，并將兩期坐標(biāo)進(jìn)行比較分析，如圖4 所示。

圖4 建筑變形分析

5 小 結(jié)

利用激光掃描技術(shù)，高效和高精度地采集數(shù)據(jù)，通過一定數(shù)據(jù)處理方法處理，其計(jì)算結(jié)果可靠，滿足精度要求。單點(diǎn)定位精度可滿足一般工程測量要求，整體測量可判定建筑變形趨勢和計(jì)算建筑變形量。

［1］吳侃，黃承亮，陳冉麗．三維激光掃描技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測的應(yīng)用［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2011，30(2):205～208．

［2］程效軍，施貴剛，王峰等．點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差傳播規(guī)律的研究［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2009，37(12):1668～1672．

［3］李章樹，馬磊，馬小雪等．一種基于掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)儲(chǔ)氣罐支柱形變監(jiān)測新方法［J］．遙感信息，2014，29(1):19～22．

［4］李濱，王漢順，段奇三等．點(diǎn)云檢測技術(shù)在高速公路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．城市勘測，2014(8):20～26．

［5］李仁忠，劉潔．三維激光掃描技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．重慶建筑，2010，9(84):42～45．

［6］施貴剛，程效軍，官云蘭等．地面三維激光掃描點(diǎn)云配準(zhǔn)的最佳距離［J］．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2008:197～200．