辛 星，艾衛(wèi)濤，喬德京，蘇旭鋒

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.西安科技大學(xué) 測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；3.江西核工業(yè)二六八測繪院，浙江 寧波 315800）

基于三維激光掃描技術(shù)的塔型構(gòu)筑物傾斜監(jiān)測

辛 星1，艾衛(wèi)濤2，喬德京2，蘇旭鋒3

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.西安科技大學(xué) 測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；3.江西核工業(yè)二六八測繪院，浙江 寧波 315800）

為提高塔型構(gòu)筑物的傾斜測量效率，提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的塔形構(gòu)筑物傾斜變形監(jiān)測方法。首先詳細(xì)闡述了利用點(diǎn)云進(jìn)行傾斜變形信息提取及掃描點(diǎn)位精度分析的方法；然后利用逆向工程軟件（Imageware）對采集的點(diǎn)云進(jìn)行重構(gòu)，并提取構(gòu)筑物軸線坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算得到構(gòu)筑物的傾斜值；最后通過全站儀前方交會精度比較實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在塔型構(gòu)筑物傾斜監(jiān)測中應(yīng)用的可靠性。結(jié)果表明，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行塔型構(gòu)筑物傾斜監(jiān)測的結(jié)果與傳統(tǒng)全站儀前方交會方法測定的結(jié)果吻合，該技術(shù)在塔型構(gòu)筑物傾斜監(jiān)測中具有較高的實(shí)用價值。

三維激光掃描；塔型構(gòu)筑物；傾斜監(jiān)測

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，水塔、煙囪等高聳塔型構(gòu)筑物大量出現(xiàn)，其穩(wěn)定性和可靠性已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。傾斜度是衡量施工技術(shù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，傾斜即建筑物頂部與底部中心不在一 條垂直線上，傾斜率即頂?shù)字行乃酵队熬嗯c建筑物高度之比[1]。如何快速、準(zhǔn)確地測量構(gòu)筑物的傾斜度一直都是變形觀測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

高聳塔型構(gòu)筑物在工程施工和竣工使用期間，存在受基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)本身的變形以及在日照下因受熱不均勻影響而產(chǎn)生的彎曲變形，其綜合表現(xiàn)為整個建筑體的傾斜變形[2]。國內(nèi)對高聳塔型構(gòu)筑物的變形監(jiān)測研究從未停止，如彭偉平[3]從測量實(shí)踐角度發(fā)現(xiàn)了前方交會方法的不足，找到了新的測量方法——大角前方交會法；黃仲平[4]利用激光技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測，實(shí)踐證明該方法精度高，觀測速度快，與用光學(xué)經(jīng)緯儀以交會法觀測或用經(jīng)緯儀以垂直標(biāo)尺法投影觀測相比，可提高數(shù)倍工效；劉凡[5]將無棱鏡全站儀應(yīng)用于煙囪傾斜觀測；閭海慶[6]等利用近景攝影測量方法，通過與傳統(tǒng)的測量方法的比較，驗(yàn)證了攝影測量在煙囪的快速檢測中應(yīng)用的可行性。這些技術(shù)雖有較高精度，但測量方案復(fù)雜，需有一定經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行操作。三維激光掃描技術(shù)集成了多種高新技術(shù)的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段與工具[7]，能夠克服傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性；是一種以激光測距方式快速獲取目標(biāo)大量三維坐標(biāo)的測量技術(shù)，能夠準(zhǔn)確掌握被測目標(biāo)的三維形態(tài)和空間位置，已被廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測、地形測量、工程測量等領(lǐng)域[8]。

1 基于點(diǎn)云的傾斜變形信息提取及精度分析

1.1 傾斜變形信息提取

基于三維激光掃描進(jìn)行塔型構(gòu)筑物傾斜變形監(jiān)測的關(guān)鍵是如何提取構(gòu)筑物的變形信息。本文提出了基于中軸線上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)偏移的方法，其思路為對構(gòu)筑物整體或局部進(jìn)行掃描，通過與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對比，分析其測量精度。為了準(zhǔn)確提取中軸線上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[9]，首先對目標(biāo)物點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪等預(yù)處理，然后對點(diǎn)云進(jìn)行橫斷面切片，再用局部曲面擬合的方法提取每個切片點(diǎn)云的中心，最后由各橫斷面中心計(jì)算目標(biāo)物的傾斜值（圖1）。

圖1 傾斜信息的提取流程圖

1.2 點(diǎn)位精度分析

由三維激光掃描原理（圖2）可知，三維激光掃描儀點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算公式為：

X = Scosθcosα Y = Scosθsinα Z = Ssinθ(1)由誤差傳播定律可知：

式中，ms為掃描儀測距精度；mα為水平角測角精度；mβ為垂直角測角精度；s為儀器到點(diǎn)云的斜距；α、β分別為儀器水平和垂直掃描角；ρ=206 265。

圖2 三維激光掃描原理

2 兩種方法在塔型構(gòu)筑物傾斜測量中的精度比較實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了測試三維激光掃描技術(shù)在塔型構(gòu)筑物傾斜變形測量中的精度與可靠性，本文分別采用激光掃描儀與全站儀對同一塔型構(gòu)筑物進(jìn)行傾斜變形測量，再比較二者的精度。全站儀是傳統(tǒng)的變形監(jiān)測技術(shù)，其測量精度可作為基準(zhǔn)參考。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)采用Leica ScanStation C10激光掃描儀與Leica TC1610全站儀，廠家標(biāo)稱精度見表1。以陜西某礦區(qū)東北部居民生活及消防供水塔（圖3）為觀測對象，該塔塔高33.8 m，塔身為圓柱形，水塔結(jié)構(gòu)分為筒體和儲水池兩部分。其中筒體高29.8 m，磚混結(jié)構(gòu)，外徑為10 m；儲水池高4 m，磚混結(jié)構(gòu)，外徑為11.2 m。煤礦開采引起地表沉降，從而導(dǎo)致建、構(gòu)筑物等發(fā)生變形，影響居民安全生產(chǎn)和生活[10]。由于該供水塔地處采面采動影響邊界線內(nèi)側(cè)，難免受采動影響而發(fā)生傾斜，因此對其進(jìn)行監(jiān)測能為水塔的安全運(yùn)營及維修加固，提供準(zhǔn)確及時的數(shù)據(jù)資料。

圖3 掃描現(xiàn)場

表1 廠家標(biāo)定儀器精度

2.2.1 基于全站儀的塔型構(gòu)筑物傾斜監(jiān)測

依據(jù)現(xiàn)場情況，水塔塔體傾斜監(jiān)測采用前方交會法[11]。在水塔附近大致垂直的兩個方向上設(shè)置2個觀測基點(diǎn)K1(0,0,0)和K2(323.133,157.602,1.283)，K1、K2坐標(biāo)方位角為26°0'0"，在塔體33 m、30 m、25 m、20 m、15 m、10 m、5 m和2.4 m處分別布設(shè)高度點(diǎn)F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8，依據(jù)方向觀測法分別觀測水塔外壁左右兩側(cè)等高度位置[12]方向值，據(jù)此計(jì)算交會角（A、B），按前方交會法公式計(jì)算4個高度處水塔中心坐標(biāo)（見表2），再依據(jù)不同高度處塔心坐標(biāo)變換確定水塔傾斜度，測量原理如圖4所示。

圖4 前方交會測量原理

2.2.2 基于三維激光掃描技術(shù)的塔型構(gòu)筑物傾斜監(jiān)測

將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Leica公司開發(fā)的Cyclone點(diǎn)云處理軟件，自帶軟件只能對數(shù)據(jù)進(jìn)行一般處理，而水塔、煙囪等是特殊設(shè)計(jì)的構(gòu)筑物，處理起來相對困難，因此選擇第三方廠家提供的Imageware軟件（圖5）。

圖5 水塔點(diǎn)云示意圖

1）激光點(diǎn)云生成。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件，自動生成點(diǎn)云。

2）選擇目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)域。在進(jìn)行掃描時，視場選擇為全景掃描，因此將大量無關(guān)點(diǎn)也掃入其中，大大增加了點(diǎn)的數(shù)量。為了減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量，利用Imageware軟件粗略去掉一定范圍內(nèi)不相關(guān)的點(diǎn)，然后識別標(biāo)靶球并進(jìn)行配準(zhǔn)與拼接。

3）冗余數(shù)據(jù)處理。利用Imageware軟件將水塔周圍的噪聲去掉，只留水塔的掃描點(diǎn)；再進(jìn)行采樣，減少點(diǎn)云密度。

4）多邊形化點(diǎn)云。

5）按照一定高度分割模型體，并把每一段模型進(jìn)行擬合，查詢每段的中心坐標(biāo)[13]，見表2。

表2 前方交會與點(diǎn)云擬合坐標(biāo)數(shù)據(jù)

由表2可見，三維激光掃描儀單個測點(diǎn)的誤差比全站儀要大，經(jīng)過擬合得到水塔相對變形與全站儀基本一致，二者結(jié)果相差在6 mm以內(nèi)。Gordon S J和Lichti D D[14]的實(shí)驗(yàn)表明對點(diǎn)云進(jìn)行擬合能得到優(yōu)于單點(diǎn)精度的測量結(jié)果，本文結(jié)論與之一致。用兩 種方法獲取的水塔傾斜值差值進(jìn)行計(jì)算，可得均值為-0.509 8 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為±2.458 0 mm。

2.3 精度評定

對于三維激光擬合得到的傾斜值與全站儀所測傾斜值結(jié)果是否一致的問題，采用μ檢驗(yàn)法進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。提出假設(shè)H0：三維激光擬合得到的傾斜值與全站儀所測傾斜值結(jié)果是一致的。已知兩種方法獲取的傾斜值的差值平均值μ=-0.509 8 mm，標(biāo)準(zhǔn)差σ=±2.458 0 mm，計(jì)算可得：

3 結(jié) 語

本文研究了基于三維激光掃描技術(shù)的塔型構(gòu)筑物傾斜變形監(jiān)測方法，主要結(jié)論為：

1）通過與高精度全站儀進(jìn)行對比分析可知，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)測得的水塔傾斜值符合精度要求，且發(fā)現(xiàn)該方法在現(xiàn)場實(shí)施過程中，操作更加簡便，可有效避免傳統(tǒng)測量方法在塔型構(gòu)筑物傾斜監(jiān)測中需要查找切點(diǎn)、等高點(diǎn)等問題，提高了測量效率，特別是對于所處位置復(fù)雜以及處于危險狀態(tài)的塔型構(gòu)筑物具有很大優(yōu)勢。

2）三維激光技術(shù)不僅可以得到高精度的單點(diǎn)坐標(biāo)，而且可以較好地反映整個監(jiān)測目標(biāo)的表面三維特征，還可以利用相關(guān)建模軟件得到目標(biāo)的真實(shí)空間姿態(tài)；通過對空間姿態(tài)進(jìn)行對比分析，能較好地觀測目標(biāo)的整體變形情況，避免了傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)所帶來的局限性。

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P258

B

1672-4623（2017）05-0045-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0051.4

辛星，碩士，講師，研究方向?yàn)榈V山測繪與變形監(jiān)測。

2016-06-07。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41272388）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃-面上項(xiàng)目資助（2016JM5048）。