基于激光點云的建筑裂縫與外觀缺陷檢測方法研究

摘" 要：探究將三維激光掃描技術應用于房屋安全性鑒定，通過采用傳統檢測手段對基于激光點云建筑裂縫與外觀缺陷檢測結果進行重復檢測，驗證激光點云檢測建筑物表面裂縫和外觀缺陷的可行性和可靠性，為城市老舊建筑、自建房屋開展建筑體檢提供技術保障，及時發現潛在的安全隱患，保障人民群眾生命財產安全。結果表明，南寧6棟建筑人工檢測共發現304處缺陷，與三維激光掃描技術檢測建筑裂縫與外觀缺陷的檢測結果比較，建筑缺陷錯漏21處，錯漏率為6.9%。

關鍵詞：三維激光掃描技術；房屋安全性鑒定；激光點云；建筑裂縫；外觀缺陷檢測

中圖分類號：P258" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0137-05

Abstract： The purpose of this paper is to explore the application of three-dimensional laser scanning technology to the safety appraisal of buildings， and to repeatedly detect the results of cracks and appearance defects of buildings based on laser point cloud by using traditional detection methods. verify the feasibility and reliability of laser point cloud detection of building surface cracks and appearance defects， provide technical guarantee for building physical examination of old urban buildings and self-built buildings， and find potential safety risks in time， to ensure the safety of people's lives and property. The results show that a total of 304 defects were found in 6 buildings in Nanning. Compared with the detection results of cracks and appearance defects detected by three-dimensional laser scanning technology， 21 building defects were missed， and the error rate was 6.9%.

Keywords： three-dimensional laser scanning technology; building safety evaluation; laser point cloud; building cracks; appearance defect detection

中國改革開放40多年來，建筑業飛速發展，城市建成區面積和人均住房面積不斷增加，新建筑不斷崛起的背后是大量老舊建筑達到使用年限。但建筑物由于受到環境等諸多不可控因素的影響，部分建筑會提前出現無法工作或結構破壞的情況。因此，對建筑裂縫和外觀缺陷進行檢測，及時發現潛在的安全隱患這項工作十分必要。目前，對于建筑物表面出現的裂縫和外觀缺陷，主要依靠人眼觀測和使用接觸式測量儀器獲取特征信息，傳統的人工測量檢測方法存在成本高、精度較低等諸多缺點[1]，檢查人員的安全也無法保障。另外，人工識別建筑裂縫與外觀缺陷和測量工作對相關人員的能力和經驗要求較高，檢測結果易受檢查人員的主觀性影響，準確性得不到保證。傳統的建筑物表觀缺陷檢測方法無法滿足大面積、高效率的篩查需求，探索一種非接觸式、數字化、便捷的建筑物表面裂縫檢測方法對當今社會的需求和發展顯得尤為重要。

近年來智能檢測技術越來越多地應用于我國建設工程，大幅提高了建設工程檢測的廣度、精度及效率。三維激光掃描技術是目前使用最廣泛的無接觸測量技術之一，其具有快速、實時、非接觸等顯著優點[2]，能以毫米級精度快速生成被測對象大量表面點的高精度空間坐標，通過點云數據可快速獲取被測物幾何外形和建筑表觀缺陷信息。基于激光點云并采用傳統的檢測手段進行現場驗證，評定其技術的準確性和正確性。

1" 三維激光掃描技術及軟硬件配置

三維激光掃描技術又稱“實景復制”技術，三維激光掃描儀與傳統測量儀器相比有很多優勢[3]，通過快速掃描被測物體，不需反射棱鏡，可直接獲得高精度的掃描點云數據。三維激光掃描儀的高效作業方式可以在短時間內全方位地獲取建筑的尺寸、紋理信息，因此使用該技術在短時間內對大量建筑進行高質量的檢測工作具有突出的現實意義。

本文采用Trimble X7三維激光掃描系統（如圖1所示）對建筑進行全方位的掃描，采用的相關軟件，有Trimble Perspective外業軟件及Trimble RealWorks應用軟件，并以棟為單位構建建筑點云模型。

2" 研究案例

2.1" 案例概況

本文研究對象為南寧市行政區劃范圍內6棟小區住宅建筑，其建筑使用年限超30年，磚混結構，層數為3層，建筑物表觀缺陷主要有裂縫、脫落、滲水和露筋等。

2.2" 技術要求

2.2.1" 坐標基準

掃描作業與國家大地坐標系建立聯系，采用2000國家大地坐標系，1985國家高程基準。

2.2.2" 點云數據采集要求

控制網應全面控制掃描區域，控制點均勻分布在目標四周，控制點標志采用平面標靶；激光掃描站應設置在無振動且通視條件好的安全區域，掃描站之間應有一定的重疊度；標靶應均勻分布在目標物的四周，任意2個標靶之間的距離不宜小于10 m，且不宜放置在同一高度上，標靶識別的允許點位中誤差宜為±3 mm；采用點云特征點進行測站配準時，相鄰掃描站點間有效點云的重疊度不應低于30%，儀器在掃描數據異常時，應分析判斷原因并在采取處置措施后，重新進行點云數據采集。

2.2.3" 點云數據處理要求

點云配準應采用統一的空間坐標系統，采用特征點配準時，特征點不應共線或共面；點云數據中存在脫離掃描目標物的異常點、孤立點時，可采用濾波或人機交互的方式進行降噪處理；點云數據抽稀不應影響目標物特征識別與提取，信息融合宜包括激光反射強度、回波次數、色彩紋理信息等，融合后的點云宜保存為通用數據格式；特征提取宜包括剔除非目標物、點云分類、人工提取或擬合計算等。

2.2.4" 點云建模要求

點云模型尺寸應以米為單位表示；對于規則模型，點云部分缺失無法準確獲取結構尺寸時，可依據可見部分尺寸推算隱蔽尺寸。對于圓柱面等曲面模型，直接根據點云交互建模不能保證點云和模型完全吻合，應交互選擇曲面上的點云來擬合曲面；對于不規則表面，無法進行交互式建模，需先利用點云建立不規則三角網模型，對建立的三角網進行孔洞填充、邊修補、簡化和光滑化等處理。建模過程中，由于編輯、修改、刪除等原因，成果中有時會出現沒有任何面的空對象，須將空對象刪除。建模完成后應對模型進行相應檢查，保證模型內部點、線、面之間的邏輯關系正確，便于模型在不同使用平臺之間轉換。

2.3" 點云數據的采集與處理

數據采集流程主要包括控制測量、掃描站布設、標靶布設、三維點云數據采集、照片采集、三維點云數據處理和各類剖面圖制作等步驟[4]。進行點云掃描時，要將設置的距離盡量縮小，確保掃描模式足夠精細，保證后期工作標靶中心點坐標的提取精度[5]，三維激光掃描最好在施工停歇期間進行，盡量減少對施工造成的影響[6-7]。

點云預處理主要包括點云降噪和點云壓縮，結合人工可視化交互和濾波算法去除噪聲點，然后進行點云壓縮。圖像數據處理包括圖像色彩調整、變形糾正、圖像配準和格式轉換。選擇點云對應的圖像數據，根據相機與掃描儀的姿態參數制作彩色點云，制作完成的彩色點云在圖像重疊區域無明顯色彩差異。三維模型制作包括點云分割、模型制作、紋理映射。通過三維激光技術掃描建筑物獲取點云數據并建模（如圖2所示），解決了實體建筑物到數字建筑物的轉換問題。

2.4" 建筑裂縫和外觀缺陷識別和提取

在建筑物點云模型上實現建筑裂縫和缺陷外觀的空間位置、尺寸、分布狀況等信息的識別和提取。建筑的外觀缺陷主要表現在建筑表面脫落、滲水和漏筋，從點云上識別建筑表面脫落、滲水和漏筋的面積和空間位置信息。

2.4.1" 建筑表面脫落識別

采用點云分割處理建筑點云模型，將每個建筑面單獨分割開，對建筑表面脫落進行識別提取和分析。三維激光掃描儀采集到的建筑表面點云數據包含表面點的三維坐標值、激光反射強度以及顏色信息。將獲取到的帶顏色信息的某建筑表面部分區域數據可視化，人眼直接觀察出建筑表面上的脫落區域。通過脫落區域與非脫落區域的點云數據信息對比，2種區域之間的反射強度信息和RGB顏色大小差異，可以直接將點云進行顏色賦色后人工識別提取。

2.4.2" 脫落面積和空間位置信息計算

點云數據經過預處理后有了基于統一坐標系的絕對空間位置坐標，將分割后的點云數據輸出通用格式后，直接在常用點云繪圖軟件上進行繪制和定位，在后處理軟件上提取建筑脫落面積和空間位置信息（如圖3所示）。

2.4.3" 建筑裂縫識別和提取

建筑裂縫是建筑檢測中經常碰到的病害類型，一般建筑工程檢測中，對建筑裂縫的寬度檢測要求比較高，通常需要達到0.01 mm，而由于三維激光的掃描的精度指標，三維激光點云的精度目前只能達到毫米級，因此本研究通過三維激光掃描檢測建筑裂縫主要是針對毫米級以上的大的裂縫來進行識別和提取。

在對點云數據進行預處理后，根據建筑表面結構按面進行分割和后處理，通過不同的點云賦色模式下點云顯示的效果不同，來識別提取裂縫，并通過后處理軟件計算出裂縫的長度和寬度信息（如圖4、圖5所示）。最后統計分析建筑表面已檢測出的裂縫病害。

3" 人工現場驗證

對照三維激光掃描的成果，采用傳統檢測手段對三維激光掃描技術檢測結果進行重復檢測，現場驗證建筑裂縫和外觀缺陷的形狀、位置、長度和寬度等量化指標，計算其精度，以驗證新技術、新方法檢測建筑物表面裂縫和外觀缺陷的可行性、適用性、準確性和可靠性。

3.1" 建筑裂縫與外觀缺陷精度要求

1）建筑裂縫寬度精度要求。根據CECS 293：2011《房屋裂縫檢測與處理技術規程》的規定，結構構件裂縫寬度檢測精度不應小于0.1 mm。

2）建筑裂縫長度精度要求。建筑裂縫長度精度要求參照點云模型精度，即長度中誤差為1.5 cm。

3）外觀缺陷面積精度要求。外觀缺陷面積精度參照GB/T 50353—2013《建筑工程面積計算規范》相關要求，中誤差不大于（0.04+0.003S）m2，其中S為被測面積。

4）錯漏精度。裂縫、外觀缺陷（脫落、滲水、露筋）錯漏精度錯漏率小于10%。

3.2" 驗證方法

外觀缺陷空間位置和面積直接在點云模型上量取，建筑裂縫寬度和長度的驗證方法主要有2種。

1）現場直接量取。現場采用裂縫測寬儀對建筑裂縫直接測量，將讀數與原檢測寬度對比驗證；采用直尺、鋼卷尺、激光測距儀等測量裂縫長度，將讀數與原檢測長度對比驗證。

2）抽樣驗證。按不低于總建筑裂縫的15%抽取進行驗證，其中靠近地面的建筑裂縫采用直接測量的方法驗證，2層以上建筑裂縫進行點云模型驗證。

3.3" 建筑裂縫的長度和寬度驗證結果

建筑裂縫的長度和寬度驗證結果詳見表1、表2。經計算，建筑裂縫長度、寬度均未超限，其中長度的最大誤差為10 mm，寬度的最大誤差為0.11 mm。

3.4" 質量等級評價

3.4.1" 精度計算及質量等級評價方法

同精度檢測、驗證時，長度、寬度中誤差計算公式如下

式中：Δd為長度、寬度較差，n為點數，允許中誤差M0=M。根據檢測中誤差的絕對值與允許中誤差的比例關系，計算檢測內容的質量分數。數學精度評分標準見表3。

3.4.2" 評價結果

建筑裂縫和外觀缺陷量化精度從建筑裂縫長度、裂縫寬度、外觀缺陷面積和外觀缺陷空間位置等方面進行驗證，計算驗證中誤差和誤差比例，通過誤差比例計算質量分數，評價質量等級。經驗證，各項質量等級均為“優”，見表4。

對照三維激光掃描的成果，人工現場驗證建筑裂縫和外觀缺陷是否存在計算錯判、漏判的數量。經統計，6棟建筑物304個建筑裂縫和外觀缺陷中多判0處，漏判21處，錯判0處，合計錯漏21處，錯漏率6.9%低于10%，符合要求，見表5。

4" 結束語

本文以南寧市某建筑為例，介紹了三維激光掃描技術進行建筑裂縫與外觀缺陷檢測方法研究，研究結果表明：三維激光掃描共識別建筑物表觀缺陷283處，實際有304處，識別率93.09%，缺陷識別率高；各項指標質量分數超過90分，質量等級均為“優”，關鍵技術準確性好；相比傳統人工現場檢測技術，三維激光掃描技術具有無接觸、快速、準確、數字化程度高和數據通用性好的優勢；在工程檢測應用方面，可單獨或融合傳統人工檢測方法，對城市老舊小區等建筑實現大規模快速檢測，并可對地鐵、隧道、管廊和橋梁等進行周期性全面檢測，應用前景廣泛；三維激光掃描技術受儀器性能、搭載平臺、障礙物等影響，應用場景有一定限制，在實際工程中需根據不同場景選擇不同的檢測方法，在提高工作效率的同時，減少缺陷的錯判與漏判。

參考文獻：

[1] 吳文清，王新雅，劉泓佚，等.基于激光點云的預制混凝土箱梁外觀尺寸檢測方法研究[J].橋梁建設，2023，53（4）：25-32.

[2] 莫國明.三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的應用與實踐[J].中國高新科技，2023（12）：136-138.

[3] 廖中平，余澤彬，劉科，等.三維激光掃描技術在建筑建模中的應用[J].北京測繪，2017（2）：84-87.

[4] 劉錕，唐甲錄，鄧富琨.歷史建筑測繪建檔中的多技術融合——以桂林市歷史建筑測繪建檔項目為例[J].城市勘測，2021（5）：174-177.

[5] 馬永勝，張國平.基于BIM技術的地下管線信息管理研究[J].工程造價，2014（10）：41-44.

[6] 李杰，王晶，李偉，等.基于BIM技術的公路工程項目管理研究[J].價值工程，2014，33（15）：1-5.

[7] 孫艷，張峰，金俊浩.基于BIM技術的公路勘察設計信息化管理研究[J].中國公路學報，2013，26（4）：1-7.