李 廣 吳長悅 馮 騰 王春鑫

(華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063000)

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基于三維激光掃描技術的建筑物墻面平整度檢測

李 廣 吳長悅 馮 騰 王春鑫

(華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063000)

闡述了三維激光掃描技術在某建筑物平整度檢測中的應用，重點探討了三維激光掃描儀進行建筑物平整度檢測的數(shù)學模型、作業(yè)流程和點云數(shù)據處理方法，指出利用三維激光掃描儀進行建筑物的平整度檢測具有精確可行性。

建筑物，平整度，三維激光掃描，點云數(shù)據

0 引言

隨著我國城市建設的快速發(fā)展，高層超高層建筑物日益普及，如何保證建筑物在建設和運營當中的安全，一直以來都是人們所關心的問題。而對建筑物進行各種各樣的檢測是保證其安全的重要手段，墻面的平整度檢測是建筑物安全檢測當中的重要一環(huán)。平整度影響著建筑物的外觀，對墻面的各種裝飾的穩(wěn)定性也有一定的影響。

建筑物墻面的平整度傳統(tǒng)的檢測方法有2 m靠尺與楔形塞尺檢測法和全站儀檢測法。第一種檢測方法是將靠尺放在墻面上，將楔形塞尺的游碼推到靠尺的頂部，然后將該楔形塞尺的頂部插入靠尺與待檢測墻面間的縫隙，讀取游碼刻度即為平整度偏差。此方法不僅慢，且檢測點也不均勻，檢測精度不高。全站儀檢測法是一種目前最常用的墻面平整度檢測法，目前許多類型的全站儀都具有免棱鏡的測量功能，這為墻面的平整度檢測提供了巨大的便利，不僅提高了檢測的速度，而且還能大大降低檢測人員的危險性。使用全站儀進行檢測時，只需對被測墻面進行均勻的測點，然后再對被測的點進行平面擬合，把擬合出的平面當作是近似的墻面，然后計算各點到擬合平面的距離的平均值，即為該墻面的平整度。

三維激光掃描技術是近幾十年才發(fā)展的一門新技術，它能快速，精確的對物體進行測量，獲取被測物的三維特征信息。與全站儀相比，三維激光掃描儀能夠全天候，不需照準目標的進行測量。相比三維激光掃描儀的這些優(yōu)勢特點，本文就參照全站儀對建筑物墻面平整度檢測的方法和數(shù)據處理的方法，嘗試利用三維激光掃描儀對建筑物的墻面平整度來進行檢測。

1 平整度計算方法

采用三維激光掃描儀和全站儀測量的是墻面上一系列的點，理論上同一墻面上的點應該在一個平面上，但實際情況是由于建筑物在施工建設中的誤差，以及測量中的誤差導致這些點云往往不在一個平面上，所以就需要對這些點進行擬合，把擬合的平面當作是墻面，然后再計算各點到平面距離的平均值即為該墻面的平整度。

平面方程一般表達式為：

p(x,y,z)=Ax+By+Cz+D=0

(1)

為了方便求其參數(shù)，上面方程兩邊同時除去D，化為：

p(x,y,z)=ax+by+cz+1=0

(2)

對測得的點云數(shù)據(xi，yi，zi)(i=0，1,…，m)要求其最小二乘擬合平面其實就是求：

(3)

其中,p(x,y,z)=0，該公式化為：

(4)

(5)

(6)

可得：Q[abc]T=K，解得平面系數(shù)為：

[abc]T=Q-1K

(7)

各點到擬合平面的距離為：

(8)

墻面的平整度為：

(9)

其中，d為測量點到擬合平面的距離;m為測量點到擬合平面的點位中誤差，可以看作是所測墻面的垂直度，m越小就說明墻面越平整，即其平整度越高,反之，m越大就說明墻面越凹凸不平，即其平整度越低。

2 實例分析

選擇天津市濱海新區(qū)新興園小區(qū)新建的7號樓為實驗對象，采用FARO X330型地面三維激光掃描儀對該樓進行掃描測量。

2.1 外業(yè)掃描

該樓南北面較長，東西面較短，圖1為大樓的平面示意圖，在較長的南北面分別測量了三站，而東西面分別測量了兩站，相鄰兩站之間都有足夠的公共區(qū)域。

2.2 點云數(shù)據處理

本次點云數(shù)據的處理主要分為兩步，第一步是點云的拼接，第二步是點云的去噪。由于最后需要的是各面的點云數(shù)據，故本次采用分面進行拼接，具體為把Z1,Z2,Z3站的數(shù)據進行拼接得到南面墻面的點云數(shù)據，由Z3～Z5得到西面的數(shù)據，Z5～Z7得到北面的數(shù)據，Z7,Z8,Z1得到東面的數(shù)據。本次拼接采用掃描儀自帶的scene軟件進行拼接，選擇相鄰區(qū)域內的一些點、面來進行拼接。

點云拼接之后就是對點云進行去噪，分為兩步，第一步是在scene軟件里進行手動去噪，把一些明顯的噪點(如樹木、人、玻璃等)進行手動刪除，如圖2所示，墻面的玻璃的位置處含有很多的噪點，對于這些噪點直接將其刪除，最后得到的點云如圖3所示，已經把玻璃整塊刪除了，只剩下墻體的點云了，然后將點云數(shù)據導入到geomagic qualify軟件中進行后續(xù)的去噪，采用該軟件去除一些非連接項和體外孤點等，這樣能夠去除肉眼看不到的一些噪點。

2.3 平整度計算

在geomagic qualify軟件中對點云數(shù)據進行基于最小二乘原理的平面擬合，擬合后該軟件能夠自動計算出擬合平面的點位中誤差，其即為該面墻的平整度。由于篇幅所限，以東面墻的點云數(shù)據進行演示，其點云擬合如圖4，圖5所示。由圖3可知該墻面各個位置的凹凸情況，不同顏色代表了該位置點到擬合平面的距離不同，總體來看該墻面還比較平整，只有右上角和中間有一小塊兒位置向外凸出，都在可接受的誤差范圍之內。

按照上述方法，計算其他三面墻的平整度，最后計算結果如表1所示。

表1 平整度計算結果

由表1可以看出，北面墻的平整度最大,東面墻的平整度最小，說明東面墻最平整，北面墻最凹凸不平。2014年，李杰等人[6]也采用了三維激光掃描儀對建筑物墻面的垂直度進行了檢測，在對數(shù)據進行分析時，他們使用Matlab軟件，對墻面坐標數(shù)據進行選權迭代擬合，獲得精確的墻平面方程以及每一點到該擬合平面的距離，最后根據這些距離進行墻面平整度的計算和分析，并根據這些值做成了距離統(tǒng)計直方圖和墻面平整情況分布圖，以此來反映檢測墻面的凹凸情況。而本文是采用的geomagic qualify軟件來對點云數(shù)據進行處理和分析，最后得到的點云色差圖，在效果上與李杰等人最后得到的墻面平整情況分布圖一樣，都能很清楚直觀的反映出墻面的凹凸情況，但是本文對于數(shù)據處理和分析的方法更為簡單，效率更高，為后續(xù)的用三維激光掃描儀測量墻面的平整度做了一個借鑒。

3 結語

利用地面三維激光掃描儀不僅能快速的檢測出建筑物墻面的平整度，能清晰、直觀的知道墻面任何位置的凹凸情況，本次試驗也發(fā)現(xiàn)了三維激光掃描儀測量方法的不足之處，就是在對點云數(shù)據進行去噪時，去噪的是否徹底，直接關系到最后平整度的計算結果。特別是建筑物上一般都會有許多玻璃，當掃描儀的激光打在玻璃上時會產生反射和投射，這就使得在測量時產生大量的噪點，目前對這些噪點還只能手工剔除，給數(shù)據處理帶來很大的難度。隨著三維激光掃描點云軟件的數(shù)據處理能力的提高，那時這個問題將會得到更好的解決?？偠灾萌S激光掃描儀做建筑物的平整度檢測是一個可行的方法，相信在不久的將來這一技術會普遍的應用于建筑物的平整度檢測當中。

[1] 楊學超,楊國林,郭 楠.基于免棱鏡全站儀對建筑物墻面平整度擬合算法的研究[J].礦山測量,2014(5):45-48.

[2] 蔡來良,吳 侃,張 舒.點云平面擬合在三維激光掃描儀變形監(jiān)測中的應用[J].測繪科學,2010,35(5):231-232.

[3] 賴文敬,肖景紅,顧 軒，等.高精度檢測瓷磚表面平整度[J].中國陶瓷,2014,50(10):52-56.

[4] 程效軍,唐劍波.基于最小二乘擬合的墻面平整度檢測方法[J].測繪信息與工程,2007,32(4):19-20.

[5] 曹 奇,岳東杰,楊 暢.三維激光掃描技術曲面擬合方法研究[J].測繪與空間地理信息,2014,37(8):104-106.

[6] 李 杰,程效軍.三維激光掃描儀在墻面平整度檢測中的應用[J].井岡山大學學報(自然科學版),2014,35(4):13-17.

The 3D laser scanning technology based on building wall roughness detection

Li Guang Wu Changyue Feng Teng Wang Chunxin

(CollegeofMiningIndustryEngineering,TheNorthChinaUniversityofTechnology,Tangshan063000,China)

The paper describes the application of three-dimensional laser scanning technology in the architectural evenness detection, explores mathematical model, working procedure and point cloud data processing methods in detecting the architectural evenness with three-dimensional laser scanner, and points out its feasibility in detecting the architectural evenness.

architecture, evenness, three-dimensional laser scanning, point cloud data

1009-6825(2017)11-0204-02

2017-02-10

李 廣(1986- )，男，在讀碩士； 吳長悅(1971- ),男，高級工程師

P258

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