王芬旗，吳敦，廖佳，施斌，何勁源

(寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042)

1 前 言

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

城市高層建筑的變形觀測及安全監(jiān)測是維護建筑物正常使用的必要技術措施。變形監(jiān)測的技術手段多種多樣，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)測量方式進行變形監(jiān)測，需要在變形體上布設監(jiān)測點，由于監(jiān)測點的數(shù)量有限、測量效率低、受雨霧影響大，新技術的研究和引入對于提高變形監(jiān)測效率有重要的意義。

通過對地面三維激光掃描技術的測量原理、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在建筑變形監(jiān)測領域的可行性，從而進一步推動三維激光掃描技術在測繪領域的應用。

2 建設變形監(jiān)測工程控制網

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

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

項目投入儀器設備情況表 表1

平面控制網采用自由網形式，故坐標系統(tǒng)為獨立工程坐標系，坐標零點為虛擬點(以K01 為原點的正西南方處)，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

高程控制網采用自由網形式，高程原點為K01，并設K01 高程為3 m，如表2 所示。

平面和高程控制網成果表 表2

閉合導線成果質量說明:

(1)導線平均點位誤差為1.2 mm，精度最弱點為K04，其中誤差為1.42 mm，

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

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

(4)導線測量成果符合變形監(jiān)測控制測量三級導線測量精度要求。

水準測量成果質量說明:

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

②水準環(huán)閉合差為－0.33 mm，符合一等水準“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

掃描儀到掃描對象的距離越大，測距精度越低，而且采樣分辨率低，產生噪聲就大。以某品牌掃描儀3 min工作檔位為例，在長50 m的場地起點位置放置好靶標球，依次在靶標球距測站的距離10 m、20 m、30 m、40 m和50 m進行不同位置兩次掃描測試。測試結果顯示，某品牌掃描儀3 min工作檔位，30 m范圍內布置靶標球，既能使得點云數(shù)量不至于過于龐大，又能使得點云配準精度得到保障，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

3.2 點云數(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建筑物進行掃描采集數(shù)據(jù)。在建筑物周身粘貼合適的反射標靶，通過3 個或以上的標靶中心確定的平面作為橫截面提取的基準面。該標靶也是內業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中的點云配準的重要信息。在測站兩側無遮擋的內布置好6 個以上的靶標球，每側至少3 個，用于激光點云數(shù)據(jù)的拼接，根據(jù)不在同一直線的3 點決定一個平面的原則，放置靶標球時應不處于同一直線上，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，掃描儀的結構與全站儀的結構不同，有必要進一步深入研究地面三維激光掃描儀內部結構，探討和完善掃描儀系統(tǒng)誤差模型。因為所使用的全站儀為高精度全站儀，故以全站儀所測值為真值，點云拼接結果與全站儀數(shù)據(jù)的對比，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:三維激光標靶點的測量具有很高精度，激光掃描技術完全可以適用于高精度的變形監(jiān)測領域，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)點坐標進行比較，提取變形信息。同時，為進行對比驗證，可擬合得到兩期掃描中標靶中心確定的基準面的中心坐標，并將兩期坐標進行比較分析，如圖4 所示。

圖4 建筑變形分析

5 小 結

利用激光掃描技術，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，其計算結果可靠，滿足精度要求。單點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算建筑變形量。

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