四川蘆山地區農村典型民居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級地震災區農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點云數據。根據標準差原理，采用統計回歸分析方法，對LiDAR數據進行了處理，分析和驗證LiDAR點云數據背景值區間。結果表明：蘆山地區農村典型民居砌體結構建筑物墻面的LiDAR點云數據背景值區間為0～0.45 cm，并證實其合理性。

關鍵詞：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），是近年快速發展的一種主動測量技術。地基激光雷達（Terrestrial Laser Scanning，簡稱TLS）作為一種地面LiDAR技術，結合了掃描機制、激光測距系統和記錄系統來重構地物三維結構。近年來，地面LiDAR技術在三維建模、文物保護、變形監測、森林結構調查、建筑物幾何質量評估等領域得到廣泛應用（李瑞雪，2019；李悅等，2023）。TLS可實現對象目標物的快速掃描，能夠探測到建（構）筑物更多細節信息，主要包括建筑物結構的變形和損傷，建筑物墻體的剪切開裂、墻面脫落及承重構件的損傷，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據（Yang et al，2021）。TLS高精度數據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重破壞不易近距離測量的建筑物提供了技術幫助。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）筑物進行掃描，不僅可以獲得建（構）筑物高精度平面數據信息（趙傳等，2017；杜浩國等，2023），還能獲取建（構）筑物垂直于平面的變形信息，為震后建（構）筑物的震害等級定量分析提供高精度數據支撐，提高了建（構）筑物中肉眼難辨的傾斜和變形識別認知度及震害信息的判別精度，尤其適用于地震現場建筑物震害調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。

在土木工程領域的應用中，Li 等（2020）將用TLS獲取的高精度數據結合最小二乘法，應用于建筑物平面規整度的質量評價；Makuch和Gawronek（2020）基于三維激光掃描儀數據，利用主成分分析和區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，為局部表面修復的幾何特征分析提供參考依據；Jiang等（2017）和 Jiao等（2019）提出了基于地基LiDAR數據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、形狀離散參數提取、不規則建筑物區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建三角形不規則網絡數據集，基于裂縫寬度的反距離加權點云光柵化方法生成柵格曲面，根據裂縫的形狀特征提取震后建筑物墻體裂縫相關信息。為了提高建筑物震害信息提取精度和破壞程度判定的準確性，該技術逐漸被應用到地震災后現場工作中。

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數據，能夠解決地震現場工作對基本完好、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間。針對墻面LiDAR點云趨于平面的背景區間值，本文采集了2013年四川蘆山7.0級地震后經現場調查判定為基本完好的砌體建筑物的LiDAR點云數據，分析和驗證LiDAR點云數據背景值區間。

1數據和方法

1.1數據采集

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個區縣受災，等震線長軸呈NE向分布，災區最高烈度為Ⅸ度，Ⅵ 度及以上烈度區總面積為18 682 km2。其中：Ⅸ 度區東北自蘆山縣太平鎮、寶盛鄉以北，西南至蘆陽鎮向陽村；Ⅷ 度區東北自蘆山縣寶盛鄉漆樹坪村，西南至天全縣興業鄉，西北自寶興縣靈關鎮，東南至名山城區；Ⅶ 度區東北自蘆山縣大川鎮，西南至滎經縣龍蒼溝鎮崗上村，西北自天全縣紫石鄉，東南至洪雅縣漢王鄉，Ⅵ 度區東北自大邑縣新場鎮李家山村，西南至甘洛縣兩河鄉，西北自瀘定縣嵐安鄉，東南至丹棱縣楊場鎮（李志強等，2013）（圖1）

2013年8月，中國地震局地質研究所地震與地質災害風險研究室工作人員進入蘆山地震災區，使用Trimble GX200三維激光掃描儀在Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度區進行震后建筑物LiDAR數據采集，采樣點要分布于蘆山縣、寶興縣、天全縣、滎經縣、雅安市、名山縣等。采樣點中基本完好建筑共采集91站（表1）。在數據采集過程中，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面；為降低坐標誤差，采用相對坐標的形式，即三維激光掃描儀所在點為控制點坐標。采集到的砌體建筑物原始三維點云數據如圖2所示。

本文采集震后基本完好砌體結構建筑物共75個站點，提取到140個外獨立墻面，主要包括：①磚木結構，其建筑特點是：磚墻砌體，沒有采取抗震設防措施，屋頂為平屋頂或人字屋頂的木梁和瓦片；②磚混結構（非設防），其建筑特點是：建筑成本低廉，不具備抗震設防構造，承重墻為磚砌體，沒有鋼筋水泥混凝土柱和梁，屋頂為預制板；③磚混結構（設防），其建筑特點是：有抗震設防構造，在墻角有構造柱與墻面共同承重，構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）。由于采集到的木結構建筑和框架結構建筑LiDAR點云數據較少，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據中，X、Y、Z為點云數據三維坐標空間位置信息，在數據采集過程中使用的是儀器相對坐標，單位為mm；Scalar為信號反射強度；Red、Green、Blue為點云數據顏色信息；N_x、N_y、N_z為點云數據法線信息（表2）。

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

1.2計算方法

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

在數據處理過程中，最關鍵的是坐標轉換。數據在采集過程中使用的是儀器相對坐標，在震害信息提取過程中會產生誤差，不能夠呈現出數據的真實性，同時掩蓋了震害特征信息。本次數據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、坐標轉換等，將原始數據提取為獨立墻面，定義墻體點云數據的左下角為原點坐標X、Y、Z的起點（0，0，0），對處理后的數據按照單位為m的規范進行轉存。對原始LiDAR點云數據進行坐標轉換后的結果見表3，其中X為橫坐標，Y為縱坐標，Z為變形值。

利用Matlab代碼讀取加載砌體建筑物墻面的LiDAR數據，獲取墻面LiDAR點云數據的三維坐標值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凸出；若Z值為負，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間值的計算方法如下：

2計算結果

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點云數據濾波去噪處理時，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據，該方法可實現數據的快速批處理，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據的提取分析。方法2：在保留墻面LiDAR點云數據完整性的基礎上，利用剖面分析的方法提取計算墻面點云數據的標準差，將所有剖面提取的點云數據標準差取平均值，即為該墻面LiDAR點云數據的背景值，剖面數量越多分布越均勻，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點云數據進行剖面提取分析，對墻面采用6條均勻分布剖面網格（表4）。經過對比分析得出，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生的誤差，計算得到的墻面點云背景值更準確，因此采用該方法進行計算分析。

使用方法2對140個獨立墻面數據進行剖面分析，利用式（3）計算每個獨立墻面上6條剖面的標準差（表5）。在此基礎上，統計回歸分析得出建筑物140個獨立墻面LiDAR點云背景值正態分布圖（圖5）。得到四川蘆山地區農村民居砌體結構建筑物的地基LiDAR點云數據背景區間值為0～0.45 cm。當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或向外凸出。

四川蘆山地區農村典型民居砌體結構建筑物多數為兩層建筑，少數為一層和三層建筑。為了保留地基LiDAR數據建筑物震害信息的完整性，參照《砌體結構工程施工質量驗收規范》（GB 50203—2011）中墻面垂直度每層允許偏差5 mm的標準，結合本文背景值相關研究，證實了用地基LiDAR數據確定農村典型民居砌體結構建筑物背景區間值的合理性。

3結論

本文依據標準差原理，采用統計回歸分析方法，對在2013年蘆山7.0級地震災區采集到的基本完好砌體建筑的140個獨立墻面的地基LiDAR數據進行了計算分析，結合《砌體結構工程施工質量驗收規范》，對基于高精度地基LiDAR數據提取的農村典型民居砌體結構建筑物背景值進行評價，得到四川蘆山地區農村典型民居砌體結構建筑物的背景值區間為0～0.45 cm。

寧夏回族自治區地震局李自芮等參與采集震區數據，中國地震局地質研究所聶高眾研究員在數據分析方面提出了寶貴意見，中國地震局地質研究所魏占玉研究員在點云數據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，FAN 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