李仁忠，劉潔

（重慶市勘測(cè)院重慶400020）

三維激光掃描技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李仁忠，劉潔

（重慶市勘測(cè)院重慶400020）

本文介紹了三維激光掃描測(cè)量的原理及特點(diǎn)、儀器測(cè)試及站點(diǎn)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(shù)對(duì)重慶世貿(mào)大廈進(jìn)行研變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，討論了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的可行性、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題，并將地面三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，得到定量的分析結(jié)果，具有典型的代表意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

變形監(jiān)測(cè)；三維激光掃描；重慶世貿(mào)大廈

1 引言

重慶是山地城市，高樓林立，它們的安全運(yùn)營(yíng)、使用直接關(guān)系到人民的安全。城市高層建筑的變形觀測(cè)及安全監(jiān)測(cè)是維護(hù)建筑物正常使用的必要技術(shù)措施。變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段多種多樣，目前主要采取的方法有：常規(guī)測(cè)量、GPS測(cè)量、傳感測(cè)量等。常規(guī)變形監(jiān)測(cè)是基于點(diǎn)的測(cè)量，信息有限、效率低、安全隱患大、耗時(shí)多、受環(huán)境影響大。近年來(lái)，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，已在文物古建筑保護(hù)、施工檢測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面有應(yīng)用，但在建筑變形監(jiān)測(cè)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)引入到高層建筑變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義，是目前的發(fā)展趨勢(shì)。重慶解放碑的世貿(mào)大廈是重慶的標(biāo)志性建筑，是西南地區(qū)的第一高樓。該大樓設(shè)計(jì)裙樓為8層，主樓為60層，地下5層；平街層地面標(biāo)高為251m。本文以重慶世貿(mào)大廈的變形監(jiān)測(cè)為例，通過(guò)對(duì)地面三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量工藝流程和變形監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究，探索三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的理論方法，從而進(jìn)一步推動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 地面三維激光掃描技術(shù)原理及特點(diǎn)

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(cè)距方法是根據(jù)光學(xué)三角測(cè)量的原理(見(jiàn)圖1)，以激光作為光源，通過(guò)掃描儀內(nèi)的發(fā)射裝置，將激光束投射到被測(cè)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(guò)測(cè)量每個(gè)激光脈沖，從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間或相位差，計(jì)算出激光掃描儀到物體掃描點(diǎn)之間的距離值S和反射強(qiáng)度I，α、θ和S被用來(lái)計(jì)算激光打在被測(cè)物體上的掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)（見(jiàn)公式1），掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度I則用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色。這樣就能夠獲取被測(cè)對(duì)象表面每個(gè)采樣點(diǎn)的空間立體坐標(biāo)，從而得到被測(cè)對(duì)象的離散采樣點(diǎn)集合，即激光點(diǎn)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(yīng)用目的不同，選擇距離S和角分辨率，角值越小，點(diǎn)云越多，模型更精細(xì)，紋理更清晰。

2.2 地面三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

（1）測(cè)量速度快、效率高，最高達(dá)5000點(diǎn)/秒。

（2）信息量豐富，以大量的點(diǎn)云坐標(biāo)代表監(jiān)測(cè)體，且?guī)в薪ㄖw表的紋理信息。

（3）測(cè)量的準(zhǔn)確性高，精度根據(jù)儀器型號(hào)、距離遠(yuǎn)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(cè)量，有利于保護(hù)被測(cè)物體，無(wú)需埋點(diǎn)，節(jié)省資金和時(shí)間，減少了安置反射標(biāo)志帶來(lái)的安全隱患。

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

3 儀器測(cè)試及站點(diǎn)選擇

3.1 儀器選擇及可行性分析

為落實(shí)三維激光掃描儀在山城地區(qū)標(biāo)稱(chēng)精度，在空曠道路邊選取四段距離，儀器與目標(biāo)間隔約50m、150m、220m、300m，首先用Lcia2003全站儀（0.5秒，1+1PPm）配棱鏡測(cè)出三段距離，在腳架、基座不動(dòng)，儀器中心、目標(biāo)中心、高度相同的情況下，用Trimble GX 3D配標(biāo)靶面測(cè)出三段距離進(jìn)行比較，見(jiàn)圖2，比較結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，在50m內(nèi)，掃描精度能滿足一級(jí)變形精度要求，在150m內(nèi)能滿足二級(jí)變形精度要求，220m內(nèi)能滿足三級(jí)變形精度要求，300m附近只能用于變形量較大的監(jiān)測(cè)對(duì)象，能反映出監(jiān)測(cè)體的變化趨勢(shì)。

圖2 儀器測(cè)試

表1 全站儀與掃描儀測(cè)距比較數(shù)據(jù)

3.2 建筑物掃描試驗(yàn)

為檢定掃描儀短距離掃描建筑體的精度，選擇了距設(shè)站91m的“女人廣場(chǎng)”建筑體進(jìn)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(jiàn)圖3，各期結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖3 建筑掃描測(cè)

表2 距離100m內(nèi)掃描大樓變形量模型統(tǒng)計(jì)表

由表2可見(jiàn)，變形量(Δ)大于10mm為粗差，排除粗差后，各次掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jí)變形觀測(cè)規(guī)范要求平面點(diǎn)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(shuō)在150m內(nèi)，三維激光掃描用于建筑體的變形監(jiān)測(cè)能滿足規(guī)范要求。

3.3 掃描站點(diǎn)選擇

根據(jù)儀器的精度，通過(guò)多次對(duì)掃描場(chǎng)地進(jìn)行踏勘，確定了合理的設(shè)置儀器架設(shè)方案。根據(jù)方案要求，觀測(cè)高度角應(yīng)小于30度，距離在100m～200m，因解放碑世貿(mào)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(mào)大廈樓頂上的“中央商務(wù)區(qū)”標(biāo)志為高層建筑掃描監(jiān)測(cè)目標(biāo)，利用世貿(mào)大廈施工監(jiān)測(cè)時(shí)布設(shè)的基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)SM2、SM3為起算點(diǎn)，引測(cè)2個(gè)工作基點(diǎn)TP1、TP2，使得站點(diǎn)至建筑物間的距離在130m左右，便于掃描儀和全站儀同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，如圖4所示。選擇天寶公司的Trimble FX 3D掃描儀，該儀器最大測(cè)程為350m，在100m內(nèi)其點(diǎn)間距為2.5mm，模型化后一般能夠達(dá)到2mm的點(diǎn)位精度。

圖4 世貿(mào)大廈掃描

4 點(diǎn)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(dá)采樣數(shù)據(jù)精度的因素較多，主要包括：步進(jìn)器的測(cè)角精度、儀器的測(cè)時(shí)精度、激光信號(hào)的信噪比、激光信號(hào)的反射率、回波信號(hào)的強(qiáng)度、背景輻射噪聲的強(qiáng)度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測(cè)點(diǎn)間的距離、儀器與被測(cè)目標(biāo)面所形成的角度等。

這些影響因素直接導(dǎo)致了相應(yīng)誤差的產(chǎn)生。在不考慮信號(hào)測(cè)量誤差的影響下，地面激光雷達(dá)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(diǎn)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(diǎn)的精度，可以考慮通過(guò)設(shè)立標(biāo)靶、球形目標(biāo)的坐標(biāo)來(lái)改正點(diǎn)云的坐標(biāo)，提高掃描模型的精度。

4.2 粗差剔除

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差、錯(cuò)誤和無(wú)關(guān)信息。盡管激光雷達(dá)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(niǎo)或其他游離在視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)產(chǎn)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(biāo)完全吸收了激光信號(hào)等情形。這些粗差的剔除是掃描數(shù)據(jù)處理的一個(gè)關(guān)鍵，目前主要采用的是人工交互操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

將世貿(mào)大廈截取大樓頂部“中央商務(wù)區(qū)”標(biāo)示區(qū)作為掃描面，人工編輯剔除粗差，得到的結(jié)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(diǎn)被散射掉，獲得的點(diǎn)云密度不高。

圖5 世貿(mào)大廈編輯后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4.3 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

將掃描得到的前后兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。用一組等間距的橫向或縱向的截面截取兩個(gè)掃描面，得到相同位置處兩個(gè)掃描面之間點(diǎn)云的位移，即可將其視為兩個(gè)時(shí)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(jié)果。

圖6 世貿(mào)大廈兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變形量分析圖

將世貿(mào)大廈編輯后的相鄰兩期離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在一起，用上述方法進(jìn)行比對(duì)后，得到變形量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖6所示。變形量按照其大小用不同的顏色來(lái)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(diǎn)云仍含有一定的粗差點(diǎn)。將后面三期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別與第一期數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得到累計(jì)變形量。將變形量的可視化結(jié)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(gè)掃描面間的距離，短線的長(zhǎng)度值即為兩期觀測(cè)值間的變形量。

圖7 變形量可視化結(jié)果局部放大圖

5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

由于世貿(mào)大廈表面墻體是鋁合金裝飾材料，編輯后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然存在大量的粗差點(diǎn)。因此，將變形量在20mm外的點(diǎn)視為粗差點(diǎn)，將20mm內(nèi)的變形量作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將統(tǒng)計(jì)得到的平均變形量作為世貿(mào)大廈各期激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的變形量。在用地面三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)世貿(mào)大廈進(jìn)行掃描的同時(shí)，也使用常規(guī)測(cè)量方法對(duì)其進(jìn)行變形觀測(cè)，得到各期同一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。將兩種方法得到的變形量進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

表3 激光掃描與傳統(tǒng)觀測(cè)變形量比較表

用三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)觀測(cè)方法分別對(duì)世貿(mào)大廈進(jìn)行測(cè)量，得到相鄰兩期及各期累計(jì)的變形量變化趨勢(shì)，如圖8所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：常規(guī)觀測(cè)方法是基于點(diǎn)的測(cè)量，得到的變形點(diǎn)的變形量起伏較大；而三維激光掃描方法是基于面的測(cè)量，測(cè)量出的平均變形量起伏較為平緩，更能反應(yīng)出目標(biāo)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(jié)果基本一致，均反映世貿(mào)大廈因受風(fēng)力和日照等因素的影響處于動(dòng)載中的情況。

圖8 世貿(mào)大廈激光掃描與傳統(tǒng)觀測(cè)變形量變化趨勢(shì)圖

6 結(jié)語(yǔ)

地面三維激光掃描技術(shù)正被越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高層建筑的變形監(jiān)測(cè)時(shí)，站點(diǎn)選擇應(yīng)控制掃描距離在150m內(nèi)，保證掃描精度，滿足規(guī)范要求。地面三維激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)全新的測(cè)量技術(shù)，與其相關(guān)的精度評(píng)定以及誤差理論等，都還在探索過(guò)程中，有待進(jìn)一步研究完善。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景和可行性，是目前的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]羅德安，朱光.基于3維激光影像掃描技術(shù)的整體變形監(jiān)測(cè)[J].測(cè)繪通報(bào)，2005，(7):40-42.

[2]鄭德華，雷偉光.地面3維激光影像掃描測(cè)量技術(shù)[J].鐵路航測(cè)，2003，(2):26-28.

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責(zé)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(jí)工程師，主要從事測(cè)繪管理與研究。

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