基于三維激光掃描技術的塔型構筑物傾斜監測

辛 星，艾衛濤，喬德京，蘇旭鋒

（1.北京工業職業技術學院，北京 100042；2.西安科技大學 測繪學院，陜西 西安 710054；3.江西核工業二六八測繪院，浙江 寧波 315800）

基于三維激光掃描技術的塔型構筑物傾斜監測

辛 星1，艾衛濤2，喬德京2，蘇旭鋒3

（1.北京工業職業技術學院，北京 100042；2.西安科技大學 測繪學院，陜西 西安 710054；3.江西核工業二六八測繪院，浙江 寧波 315800）

為提高塔型構筑物的傾斜測量效率，提出了一種基于三維激光掃描技術的塔形構筑物傾斜變形監測方法。首先詳細闡述了利用點云進行傾斜變形信息提取及掃描點位精度分析的方法；然后利用逆向工程軟件（Imageware）對采集的點云進行重構，并提取構筑物軸線坐標，進而計算得到構筑物的傾斜值；最后通過全站儀前方交會精度比較實驗驗證了三維激光掃描技術在塔型構筑物傾斜監測中應用的可靠性。結果表明，運用三維激光掃描技術進行塔型構筑物傾斜監測的結果與傳統全站儀前方交會方法測定的結果吻合，該技術在塔型構筑物傾斜監測中具有較高的實用價值。

三維激光掃描；塔型構筑物；傾斜監測

隨著我國現代化建設進程的不斷加快，水塔、煙囪等高聳塔型構筑物大量出現，其穩定性和可靠性已成為人們關注的焦點。傾斜度是衡量施工技術質量的重要指標之一，傾斜即建筑物頂部與底部中心不在一 條垂直線上，傾斜率即頂底中心水平投影距與建筑物高度之比[1]。如何快速、準確地測量構筑物的傾斜度一直都是變形觀測領域的研究熱點。

高聳塔型構筑物在工程施工和竣工使用期間，存在受基礎和結構本身的變形以及在日照下因受熱不均勻影響而產生的彎曲變形，其綜合表現為整個建筑體的傾斜變形[2]。國內對高聳塔型構筑物的變形監測研究從未停止，如彭偉平[3]從測量實踐角度發現了前方交會方法的不足，找到了新的測量方法——大角前方交會法；黃仲平[4]利用激光技術進行變形監測，實踐證明該方法精度高，觀測速度快，與用光學經緯儀以交會法觀測或用經緯儀以垂直標尺法投影觀測相比，可提高數倍工效；劉凡[5]將無棱鏡全站儀應用于煙囪傾斜觀測；閭海慶[6]等利用近景攝影測量方法，通過與傳統的測量方法的比較，驗證了攝影測量在煙囪的快速檢測中應用的可行性。這些技術雖有較高精度，但測量方案復雜，需有一定經驗的人員進行操作。三維激光掃描技術集成了多種高新技術的新型空間信息數據獲取手段與工具[7]，能夠克服傳統測量技術的局限性；是一種以激光測距方式快速獲取目標大量三維坐標的測量技術，能夠準確掌握被測目標的三維形態和空間位置，已被廣泛應用于變形監測、地形測量、工程測量等領域[8]。

1 基于點云的傾斜變形信息提取及精度分析

1.1 傾斜變形信息提取

基于三維激光掃描進行塔型構筑物傾斜變形監測的關鍵是如何提取構筑物的變形信息。本文提出了基于中軸線上節點坐標偏移的方法，其思路為對構筑物整體或局部進行掃描，通過與傳統測量方法進行對比，分析其測量精度。為了準確提取中軸線上節點的坐標[9]，首先對目標物點云進行配準、去噪等預處理，然后對點云進行橫斷面切片，再用局部曲面擬合的方法提取每個切片點云的中心，最后由各橫斷面中心計算目標物的傾斜值（圖1）。

圖1 傾斜信息的提取流程圖

1.2 點位精度分析

由三維激光掃描原理（圖2）可知，三維激光掃描儀點云坐標計算公式為：

X = Scosθcosα Y = Scosθsinα Z = Ssinθ(1)由誤差傳播定律可知：

式中，ms為掃描儀測距精度；mα為水平角測角精度；mβ為垂直角測角精度；s為儀器到點云的斜距；α、β分別為儀器水平和垂直掃描角；ρ=206 265。

圖2 三維激光掃描原理

2 兩種方法在塔型構筑物傾斜測量中的精度比較實驗

2.1 實驗目的

為了測試三維激光掃描技術在塔型構筑物傾斜變形測量中的精度與可靠性，本文分別采用激光掃描儀與全站儀對同一塔型構筑物進行傾斜變形測量，再比較二者的精度。全站儀是傳統的變形監測技術，其測量精度可作為基準參考。

2.2 實驗過程及結果

本次實驗采用Leica ScanStation C10激光掃描儀與Leica TC1610全站儀，廠家標稱精度見表1。以陜西某礦區東北部居民生活及消防供水塔（圖3）為觀測對象，該塔塔高33.8 m，塔身為圓柱形，水塔結構分為筒體和儲水池兩部分。其中筒體高29.8 m，磚混結構，外徑為10 m；儲水池高4 m，磚混結構，外徑為11.2 m。煤礦開采引起地表沉降，從而導致建、構筑物等發生變形，影響居民安全生產和生活[10]。由于該供水塔地處采面采動影響邊界線內側，難免受采動影響而發生傾斜，因此對其進行監測能為水塔的安全運營及維修加固，提供準確及時的數據資料。

圖3 掃描現場

表1 廠家標定儀器精度

2.2.1 基于全站儀的塔型構筑物傾斜監測

依據現場情況，水塔塔體傾斜監測采用前方交會法[11]。在水塔附近大致垂直的兩個方向上設置2個觀測基點K1(0,0,0)和K2(323.133,157.602,1.283)，K1、K2坐標方位角為26°0'0"，在塔體33 m、30 m、25 m、20 m、15 m、10 m、5 m和2.4 m處分別布設高度點F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8，依據方向觀測法分別觀測水塔外壁左右兩側等高度位置[12]方向值，據此計算交會角（A、B），按前方交會法公式計算4個高度處水塔中心坐標（見表2），再依據不同高度處塔心坐標變換確定水塔傾斜度，測量原理如圖4所示。

圖4 前方交會測量原理

2.2.2 基于三維激光掃描技術的塔型構筑物傾斜監測

將采集的數據導入Leica公司開發的Cyclone點云處理軟件，自帶軟件只能對數據進行一般處理，而水塔、煙囪等是特殊設計的構筑物，處理起來相對困難，因此選擇第三方廠家提供的Imageware軟件（圖5）。

圖5 水塔點云示意圖

1）激光點云生成。將掃描數據導入Cyclone軟件，自動生成點云。

2）選擇目標數據區域。在進行掃描時，視場選擇為全景掃描，因此將大量無關點也掃入其中，大大增加了點的數量。為了減少數據運算量，利用Imageware軟件粗略去掉一定范圍內不相關的點，然后識別標靶球并進行配準與拼接。

3）冗余數據處理。利用Imageware軟件將水塔周圍的噪聲去掉，只留水塔的掃描點；再進行采樣，減少點云密度。

4）多邊形化點云。

5）按照一定高度分割模型體，并把每一段模型進行擬合，查詢每段的中心坐標[13]，見表2。

表2 前方交會與點云擬合坐標數據

由表2可見，三維激光掃描儀單個測點的誤差比全站儀要大，經過擬合得到水塔相對變形與全站儀基本一致，二者結果相差在6 mm以內。Gordon S J和Lichti D D[14]的實驗表明對點云進行擬合能得到優于單點精度的測量結果，本文結論與之一致。用兩 種方法獲取的水塔傾斜值差值進行計算，可得均值為-0.509 8 mm，標準差為±2.458 0 mm。

2.3 精度評定

對于三維激光擬合得到的傾斜值與全站儀所測傾斜值結果是否一致的問題，采用μ檢驗法進行假設檢驗。提出假設H0：三維激光擬合得到的傾斜值與全站儀所測傾斜值結果是一致的。已知兩種方法獲取的傾斜值的差值平均值μ=-0.509 8 mm，標準差σ=±2.458 0 mm，計算可得：

3 結 語

本文研究了基于三維激光掃描技術的塔型構筑物傾斜變形監測方法，主要結論為：

1）通過與高精度全站儀進行對比分析可知，運用三維激光掃描技術測得的水塔傾斜值符合精度要求，且發現該方法在現場實施過程中，操作更加簡便，可有效避免傳統測量方法在塔型構筑物傾斜監測中需要查找切點、等高點等問題，提高了測量效率，特別是對于所處位置復雜以及處于危險狀態的塔型構筑物具有很大優勢。

2）三維激光技術不僅可以得到高精度的單點坐標，而且可以較好地反映整個監測目標的表面三維特征，還可以利用相關建模軟件得到目標的真實空間姿態；通過對空間姿態進行對比分析，能較好地觀測目標的整體變形情況，避免了傳統監測技術所帶來的局限性。

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P258

B

1672-4623（2017）05-0045-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0051.4

辛星，碩士，講師，研究方向為礦山測繪與變形監測。

2016-06-07。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41272388）；陜西省自然科學基礎研究計劃-面上項目資助（2016JM5048）。