張向陽(yáng) 鐘棉卿

（甘肅正昊測(cè)繪工程有限公司 甘肅天水741000）

1 引言

近年來，我國(guó)各大城市興起了建設(shè)高層、超高層建筑的熱潮[1]，給傳統(tǒng)的建筑形變監(jiān)測(cè)方法帶來巨大的挑戰(zhàn)。建筑形變監(jiān)測(cè)指周期性地對(duì)建筑物開展沉降、水平位移、傾斜、裂縫和撓度監(jiān)測(cè)等[2]，掌握建筑物的形變規(guī)律，為后續(xù)處理方案提供數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的變形觀測(cè)方法[3]，如水準(zhǔn)測(cè)量、三角測(cè)量、全站儀、導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)量等，生產(chǎn)成本高、工作效率低，在狹窄的城市區(qū)域采集高層及超高層的測(cè)量數(shù)據(jù)難度大，難以保證高層建筑形變數(shù)據(jù)的完整性與精確性。高層建筑形變監(jiān)測(cè)需要很高的測(cè)量精度，且觀測(cè)時(shí)間跨度大[4]，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量工作的效率和數(shù)據(jù)成果的精確可比性至關(guān)重要。

三維激光掃描技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代開始迅速發(fā)展的一項(xiàng)高精度快速測(cè)量技術(shù)[5]，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集方式，在保持?jǐn)?shù)據(jù)高精度的同時(shí)大幅提高了數(shù)據(jù)采集的效率，被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[6]。本文嘗試?yán)萌S激光的技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)高層、超高層建筑外部變形任務(wù)，探討應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高層建筑形變監(jiān)測(cè)的方法，并討論其技術(shù)適應(yīng)性，為相似的工程提供有效的解決方案。

2 高層建筑形變監(jiān)測(cè)技術(shù)要求

建筑形變監(jiān)測(cè)是針對(duì)建筑的位移、沉降、傾斜等現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)與測(cè)量工作，測(cè)量建筑物的沉降觀測(cè)、位移（包括垂直位移與水平位移）、撓度、傾斜與裂縫等的變化量及速度。針對(duì)高層建筑，可使用多期數(shù)據(jù)構(gòu)建形變建筑的整體剛體運(yùn)動(dòng)模型來表現(xiàn)高層建筑物整體的姿態(tài)變化[7]。

沉降觀測(cè)的等級(jí)和精度要求應(yīng)視工程規(guī)模、性質(zhì)及沉降量的大小和速度而定，對(duì)于同一建筑物可以隨沉降量及速度的變化而采用不同的觀測(cè)精度。應(yīng)在能全面反映建筑物及地基變形特征，并估計(jì)地質(zhì)與建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來設(shè)置一定數(shù)量的沉降觀測(cè)點(diǎn)，如高層建筑的轉(zhuǎn)角及柱基上，高低層建筑物、縱橫墻等交接處，承重墻中部，建筑物豎向軸線或其平行線的頂部和底部，分層傾斜觀測(cè)點(diǎn)宜分層布設(shè)高低點(diǎn)等。并按照規(guī)程設(shè)置相應(yīng)的觀測(cè)標(biāo)志。

變形監(jiān)測(cè)的施測(cè)精度應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求[8]。另外，《建筑變形測(cè)量規(guī)范》中推薦的方法，如幾何水準(zhǔn)法、全站儀水平位移測(cè)量、衛(wèi)星導(dǎo)航定位測(cè)量系統(tǒng)、經(jīng)緯儀投點(diǎn)法、前方交會(huì)法、正垂線法、激光準(zhǔn)直法、差異沉降法、傾斜儀側(cè)記法等，常受作業(yè)人員、儀器、外界作業(yè)環(huán)境等影響，在變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)中考選擇最佳觀測(cè)時(shí)段并在相近的環(huán)境條件下觀測(cè)。

3 三維激光掃描技術(shù)在高層建筑形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

圖1 三維激光點(diǎn)云（紅色）

三維激光掃描技術(shù)通過為高頻激光測(cè)距系統(tǒng)配置自動(dòng)掃描控制裝置而實(shí)時(shí)改變激光束的方向，使動(dòng)態(tài)激光束能測(cè)量到儀器周邊環(huán)境內(nèi)所有無遮擋的地物表面，獲取大量的目標(biāo)對(duì)象點(diǎn)云(如圖1 所示)。作為一種先進(jìn)的新技術(shù)裝備，三維激光掃描儀迅速的引起了各行業(yè)的關(guān)注。它極大的改善了數(shù)據(jù)采集的效率，使單點(diǎn)測(cè)量向面測(cè)量突破。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于逆向工程、建筑、城市規(guī)劃、文物保護(hù)、數(shù)字城市等。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在[9]：

（1）非接觸測(cè)量，不需要接觸被測(cè)物體的表面，能解決人無法到達(dá)區(qū)域的測(cè)量問題，減小了高層建筑測(cè)量的危險(xiǎn)性。

（2）高分辨率，三維激光掃描儀以極高的頻率發(fā)射激光束，每秒鐘發(fā)射幾十萬(wàn)到上百萬(wàn)激光點(diǎn)，以mm 級(jí)、cm 級(jí)的分辨率采集被測(cè)物體表面密集的點(diǎn)云。

（3）信息量豐富，三維激光掃描技術(shù)無差別的獲取無遮擋的被測(cè)物體的密集點(diǎn)云信息，對(duì)于建筑的實(shí)景保持度高，能反映出比較全面的變形特征。

（4）數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)。三維激光掃描儀測(cè)取的點(diǎn)云能與常規(guī)的軟件如AutoCAD 繪圖軟件，TXT記事本文件等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，具有較好的擴(kuò)展性。

3.2 流程與方法

使用三維激光掃描技術(shù)開展建筑物整體形變監(jiān)測(cè)共分為4 個(gè)步驟：數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、形變特征提取及形變成果整理。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀全自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，只需要提前設(shè)定掃描的參數(shù)，儀器就能在幾分鐘內(nèi)自動(dòng)化的掃描周邊場(chǎng)景。由于測(cè)程、遮擋等問題，高層建筑可能在一次掃描中不能采集到完整數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要多次設(shè)站掃描，再通過軟件將多次設(shè)站的點(diǎn)云拼接起來，形成建筑整體。

3.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理一般包括去噪、拼接、精簡(jiǎn)、分割等步驟。高層建筑的整體變形主要體現(xiàn)在建筑物的邊界線、中線、柱中線、分層線附近，其余典型的變形特征，如裂縫、結(jié)構(gòu)彎曲等也應(yīng)該保留下來。由于測(cè)量距離及遮擋等因素，整體建筑物點(diǎn)云可能需要多站采集的數(shù)據(jù)拼接而成，一般商用三維激光掃描系統(tǒng)提供自動(dòng)拼接的軟件，利用標(biāo)靶或可識(shí)別的顯著特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)進(jìn)行剛性變換，以實(shí)現(xiàn)多站掃描數(shù)據(jù)的拼接。掃描體表面布滿密度極大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，存在大量冗余，有必要對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，可使用軟件提供的方法自動(dòng)化的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀。為反映建筑整體的變形特點(diǎn)需要分離出一些變形特征，可將三維空間點(diǎn)云分割到各建筑立面、剖面上。

3.2.3 建筑物變形特征提取

（1）建筑立面提取

建筑立面的獲取首先要計(jì)算精確的立面法向量，本文采用主成分分析（PCA）算法求取協(xié)方差矩陣最小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為立面的法向量。而后將立面點(diǎn)云向該平面投影。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)識(shí)別與提取

對(duì)于布設(shè)了變形標(biāo)志的監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要從點(diǎn)云中識(shí)別出來，對(duì)于未設(shè)置變形標(biāo)志的也可以選擇特征顯著的拐點(diǎn)、多邊形中心、交點(diǎn)等作為長(zhǎng)期追蹤的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)特征明顯，易于從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中識(shí)別與提取。

（3）提取特征線

變形特征除了反映在一些明顯的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)之外，線特征的變化能反映一些整體性的變化，如建筑中線的偏移、建筑立面邊線的形變特征等。

3.2.4 形變成果整理

形變監(jiān)測(cè)的成果包括各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位分布圖及其變形曲線。如沉降變形曲線、水平位移曲線，樓體外輪廓的傾斜度等。

4 工程實(shí)例與對(duì)比分析

4.1 工程概況

監(jiān)測(cè)對(duì)象為甘肅省蘭州市某廣場(chǎng)的一棟綜合樓，地下2 層，地上19 層，裙樓3 層，總建筑面積約23830m2，主樓建筑高度61m，屬于高層建筑。按照二級(jí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目監(jiān)測(cè)期為建筑物結(jié)構(gòu)封頂后3 年內(nèi)，采集方案的采集間隔為前三個(gè)月每月一期，此后6 個(gè)月每三個(gè)月一期，剩余時(shí)間每半年一期，直到結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定。

本項(xiàng)目采用徠卡Leica HDS6000 三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，每期設(shè)站6 次，通過Cyclone 軟件進(jìn)行精確匹配和拼接獲得完整的建筑點(diǎn)云，經(jīng)精簡(jiǎn)后剩余點(diǎn)云數(shù)量113.4 萬(wàn)左右，50m 距離處的測(cè)量精度3mm。圖2 為一個(gè)拐角處獲取的建筑點(diǎn)云效果圖

圖2 建筑點(diǎn)云效果圖

4.2 實(shí)施流程

在距離大廈一側(cè)40m 左右的一棟7 層辦公樓的拐角、樓下門墩、外樓面上選擇了4 個(gè)視野開闊的明顯點(diǎn)位作為沉降觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)J1～J4，掃描時(shí)以較近的測(cè)距覆蓋這些點(diǎn)。通過多期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，這些點(diǎn)的相對(duì)位置沒有明顯的變化，四點(diǎn)形成的6 條邊的距離中誤差±0.13mm，表明選擇的基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定，為使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，選取了辦公樓外墻面上的J2 點(diǎn)為監(jiān)測(cè)樓體變形的比較基準(zhǔn)。

由于前期未布設(shè)監(jiān)測(cè)標(biāo)志，本文以監(jiān)測(cè)建筑的墻角處的豎向線條為特征線，以層間線與豎向線條的交點(diǎn)為形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共提取了16 條特征線，每層9 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共144 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖3 展示了某監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各期的沉降變化趨勢(shì)。根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》，對(duì)高層和超高層建筑應(yīng)進(jìn)行傾斜觀測(cè)。本文根據(jù)豎向特征線的變形特征提供每期的傾斜測(cè)量值。

圖3 某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移趨勢(shì)

4.3 與全站儀法的比較

為評(píng)價(jià)三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量精度與效率，在第一期采用0.5mm 級(jí)高精度全站儀采集同等位置的形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)踐表明，在狹窄的市區(qū)，采用全站儀免棱鏡模式很難采集到所有的形變點(diǎn)，僅測(cè)取到建筑物的變形特征點(diǎn)79 個(gè)，占監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)量的55%，其余點(diǎn)由于遮擋、視角或沒有合適的設(shè)站點(diǎn)而無法采集。隨著樓層高度的增加，量測(cè)的難度逐漸增大，樓頂僅采集到一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從測(cè)量精度上，受限于人眼的分辨率，建筑整體的傾斜測(cè)量施測(cè)難度大，全站儀測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的相對(duì)位置靜精度不及三維激光掃描儀穩(wěn)定。另一方面，全站儀測(cè)量的效率低，共花費(fèi)3.6h，而三維激光掃描儀僅花費(fèi)35min。實(shí)踐證明，三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量精度和效率上都優(yōu)于全站儀，但全站儀獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，后期數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單。

5 結(jié)束語(yǔ)

使用傳統(tǒng)建筑變形監(jiān)測(cè)方法檢測(cè)高層建筑的形變存在技術(shù)局限性，如強(qiáng)度大、效率低、不能完整的獲取整體形變特性等。本文根據(jù)高層建筑形變監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求，基于新興的三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，探討了應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)開展建筑物整體形變監(jiān)測(cè)的方法，并基于一個(gè)工程實(shí)例驗(yàn)證了新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)適應(yīng)性，給相似工程提供借鑒。