摘要：使用地基三維激光掃描儀，采集了2013年四川蘆山7.0級(jí)地震災(zāi)區(qū)農(nóng)村典型民居基本完好砌體建筑物140個(gè)獨(dú)立墻面的高精度LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差原理，采用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，分析和驗(yàn)證LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)背景值區(qū)間。結(jié)果表明：蘆山地區(qū)農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物墻面的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)背景值區(qū)間為0～0.45 cm，并證實(shí)其合理性。

關(guān)鍵詞：LiDAR；點(diǎn)云；背景值；典型民居；砌體建筑；蘆山7.0級(jí)地震

中圖分類號(hào)：P315.94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2024）04-0579-09

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0044

0引言

激光雷達(dá)或激光測(cè)距儀（Light Detection and Ranging，簡(jiǎn)稱LiDAR），是近年快速發(fā)展的一種主動(dòng)測(cè)量技術(shù)。地基激光雷達(dá)（Terrestrial Laser Scanning，簡(jiǎn)稱TLS）作為一種地面LiDAR技術(shù)，結(jié)合了掃描機(jī)制、激光測(cè)距系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)來(lái)重構(gòu)地物三維結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，地面LiDAR技術(shù)在三維建模、文物保護(hù)、變形監(jiān)測(cè)、森林結(jié)構(gòu)調(diào)查、建筑物幾何質(zhì)量評(píng)估等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用（李瑞雪，2019；李悅等，2023）。TLS可實(shí)現(xiàn)對(duì)象目標(biāo)物的快速掃描，能夠探測(cè)到建（構(gòu)）筑物更多細(xì)節(jié)信息，主要包括建筑物結(jié)構(gòu)的變形和損傷，建筑物墻體的剪切開(kāi)裂、墻面脫落及承重構(gòu)件的損傷，還可以獲得諸如墻體傾斜、裂縫空間分布、體積和位置變化計(jì)算等更多測(cè)量數(shù)據(jù)（Yang et al，2021）。TLS高精度數(shù)據(jù)的獲取為提取偏差較小、肉眼無(wú)法識(shí)別的建筑物破壞特征及嚴(yán)重破壞不易近距離測(cè)量的建筑物提供了技術(shù)幫助。尤其是在地震后使用TLS掃描看似安全的建筑物，以確保不存在視覺(jué)上可能無(wú)法檢測(cè)到的重大變形（Liu et al，2013）。

地面攝影測(cè)量是一種準(zhǔn)確的地震損害快速評(píng)估方法（Vasilakos et al，2018）。利用三維激光掃描儀對(duì)建（構(gòu)）筑物進(jìn)行掃描，不僅可以獲得建（構(gòu)）筑物高精度平面數(shù)據(jù)信息（趙傳等，2017；杜浩國(guó)等，2023），還能獲取建（構(gòu)）筑物垂直于平面的變形信息，為震后建（構(gòu)）筑物的震害等級(jí)定量分析提供高精度數(shù)據(jù)支撐，提高了建（構(gòu)）筑物中肉眼難辨的傾斜和變形識(shí)別認(rèn)知度及震害信息的判別精度，尤其適用于地震現(xiàn)場(chǎng)建筑物震害調(diào)查過(guò)程中對(duì)基本完好、輕微破壞建筑物的識(shí)別和判定以及震后建筑物的安全性評(píng)價(jià)。

在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用中，Li 等（2020）將用TLS獲取的高精度數(shù)據(jù)結(jié)合最小二乘法，應(yīng)用于建筑物平面規(guī)整度的質(zhì)量評(píng)價(jià)；Makuch和Gawronek（2020）基于三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，利用主成分分析和區(qū)域增長(zhǎng)算法進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，提高了建筑物外立面測(cè)量的精度和工作效率，為局部表面修復(fù)的幾何特征分析提供參考依據(jù)；Jiang等（2017）和 Jiao等（2019）提出了基于地基LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物形狀分析模型，有效解決了建筑物等高多邊形序列提取、形狀離散參數(shù)提取、不規(guī)則建筑物區(qū)塊分割與震害分析等問(wèn)題；Jiang等（2018）采用平面三角剖分建模方法構(gòu)建三角形不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，基于裂縫寬度的反距離加權(quán)點(diǎn)云光柵化方法生成柵格曲面，根據(jù)裂縫的形狀特征提取震后建筑物墻體裂縫相關(guān)信息。為了提高建筑物震害信息提取精度和破壞程度判定的準(zhǔn)確性，該技術(shù)逐漸被應(yīng)用到地震災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)工作中。

2008年汶川8.0級(jí)地震后，地基三維激光掃描儀首次被應(yīng)用于震后建筑物的震害信息識(shí)別提取中。地基三維激光掃描儀采集的高精度LiDAR數(shù)據(jù)，能夠解決地震現(xiàn)場(chǎng)工作對(duì)基本完好、輕微破壞、中等破壞建筑物識(shí)別判定模糊的問(wèn)題，但需要首先確定建筑物震害信息提取背景值區(qū)間。針對(duì)墻面LiDAR點(diǎn)云趨于平面的背景區(qū)間值，本文采集了2013年四川蘆山7.0級(jí)地震后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查判定為基本完好的砌體建筑物的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析和驗(yàn)證LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)背景值區(qū)間。

1數(shù)據(jù)和方法

1.1數(shù)據(jù)采集

蘆山7.0級(jí)地震是繼汶川8.0級(jí)地震后，龍門山斷裂帶發(fā)生的又一次強(qiáng)烈的破壞性地震。此次地震共造成四川省21個(gè)區(qū)縣受災(zāi)，等震線長(zhǎng)軸呈NE向分布，災(zāi)區(qū)最高烈度為Ⅸ度，Ⅵ 度及以上烈度區(qū)總面積為18 682 km2。其中：Ⅸ 度區(qū)東北自蘆山縣太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)以北，西南至蘆陽(yáng)鎮(zhèn)向陽(yáng)村；Ⅷ 度區(qū)東北自蘆山縣寶盛鄉(xiāng)漆樹(shù)坪村，西南至天全縣興業(yè)鄉(xiāng)，西北自寶興縣靈關(guān)鎮(zhèn)，東南至名山城區(qū)；Ⅶ 度區(qū)東北自蘆山縣大川鎮(zhèn)，西南至滎經(jīng)縣龍蒼溝鎮(zhèn)崗上村，西北自天全縣紫石鄉(xiāng)，東南至洪雅縣漢王鄉(xiāng)，Ⅵ 度區(qū)東北自大邑縣新場(chǎng)鎮(zhèn)李家山村，西南至甘洛縣兩河鄉(xiāng)，西北自瀘定縣嵐安鄉(xiāng)，東南至丹棱縣楊場(chǎng)鎮(zhèn)（李志強(qiáng)等，2013）（圖1）

2013年8月，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究室工作人員進(jìn)入蘆山地震災(zāi)區(qū)，使用Trimble GX200三維激光掃描儀在Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度區(qū)進(jìn)行震后建筑物L(fēng)iDAR數(shù)據(jù)采集，采樣點(diǎn)要分布于蘆山縣、寶興縣、天全縣、滎經(jīng)縣、雅安市、名山縣等。采樣點(diǎn)中基本完好建筑共采集91站（表1）。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為提高工作效率，每個(gè)建筑物采用夾角式掃描，即同時(shí)采集建筑物的正面和側(cè)面；為降低坐標(biāo)誤差，采用相對(duì)坐標(biāo)的形式，即三維激光掃描儀所在點(diǎn)為控制點(diǎn)坐標(biāo)。采集到的砌體建筑物原始三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

本文采集震后基本完好砌體結(jié)構(gòu)建筑物共75個(gè)站點(diǎn)，提取到140個(gè)外獨(dú)立墻面，主要包括：①磚木結(jié)構(gòu)，其建筑特點(diǎn)是：磚墻砌體，沒(méi)有采取抗震設(shè)防措施，屋頂為平屋頂或人字屋頂?shù)哪玖汉屯咂?；②磚混結(jié)構(gòu)（非設(shè)防），其建筑特點(diǎn)是：建筑成本低廉，不具備抗震設(shè)防構(gòu)造，承重墻為磚砌體，沒(méi)有鋼筋水泥混凝土柱和梁，屋頂為預(yù)制板；③磚混結(jié)構(gòu)（設(shè)防），其建筑特點(diǎn)是：有抗震設(shè)防構(gòu)造，在墻角有構(gòu)造柱與墻面共同承重，構(gòu)造柱的厚度與墻體厚度相同，一樓、二樓屋頂為鋼筋水泥澆筑，同時(shí)配有承重梁和地圈梁，開(kāi)間較大（張令心等，2019）。由于采集到的木結(jié)構(gòu)建筑和框架結(jié)構(gòu)建筑LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)較少，因此未開(kāi)展點(diǎn)云背景值研究。

在站點(diǎn)1 采集到的砌體建筑物墻面的原始數(shù)據(jù)中，X、Y、Z為點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)空間位置信息，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中使用的是儀器相對(duì)坐標(biāo)，單位為mm；Scalar為信號(hào)反射強(qiáng)度；Red、Green、Blue為點(diǎn)云數(shù)據(jù)顏色信息；N_x、N_y、N_z為點(diǎn)云數(shù)據(jù)法線信息（表2）。

從采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及可視化圖像（圖2）可以看出，三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：點(diǎn)云密度高、點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、包含目標(biāo)物光學(xué)特征信息及反射強(qiáng)度信息、儀器原始掃描數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)計(jì)算生成法線信息。

1.2計(jì)算方法

采集過(guò)程中，受外界環(huán)境及儀器設(shè)備自身的干擾影響，如水汽、光折射、障礙物以及目標(biāo)物本身，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生異常值，會(huì)增加數(shù)據(jù)量的冗余。異常值類型包括漂移點(diǎn)、孤立點(diǎn)、冗余點(diǎn)、混雜點(diǎn)。為了提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期分析的精準(zhǔn)性，需要進(jìn)行濾波去噪、分割、提取、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換處理，以達(dá)到分析需求的格式要求（楊凡，2022；王斌等，2023）。

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，最關(guān)鍵的是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)在采集過(guò)程中使用的是儀器相對(duì)坐標(biāo)，在震害信息提取過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差，不能夠呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的真實(shí)性，同時(shí)掩蓋了震害特征信息。本次數(shù)據(jù)采集通過(guò)儀器自帶的realworks軟件提供的基本功能進(jìn)行點(diǎn)云去噪、濾波處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等，將原始數(shù)據(jù)提取為獨(dú)立墻面，定義墻體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的左下角為原點(diǎn)坐標(biāo)X、Y、Z的起點(diǎn)（0，0，0），對(duì)處理后的數(shù)據(jù)按照單位為m的規(guī)范進(jìn)行轉(zhuǎn)存。對(duì)原始LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果見(jiàn)表3，其中X為橫坐標(biāo)，Y為縱坐標(biāo)，Z為變形值。

利用Matlab代碼讀取加載砌體建筑物墻面的LiDAR數(shù)據(jù)，獲取墻面LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)值X、Y、Z。其中X為墻面的長(zhǎng)度，Y為墻面的高度，Z為垂直于墻面的起伏變形量。若Z值為正，則該點(diǎn)為垂直于墻面向內(nèi)凸出；若Z值為負(fù)，則該點(diǎn)為垂直于墻面向外凸出（圖3）。Z值的起伏變化，代表了墻面平整度，Z值趨于平面的起伏變化區(qū)間值的計(jì)算方法如下：

2計(jì)算結(jié)果

受居民自建房屋門窗洞口位置的隨意性、抹灰不均勻性及點(diǎn)云邊緣效應(yīng)等影響，一些噪點(diǎn)會(huì)增加墻面點(diǎn)云背景值的誤差。為了降低點(diǎn)云噪點(diǎn)對(duì)墻面點(diǎn)云背景值表征參數(shù)分析的影響，本文測(cè)試了2種方法。方法1：在對(duì)獨(dú)立墻面LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波去噪處理時(shí)，提高門窗洞口及墻面邊緣點(diǎn)云的裁減范圍，只保留屬于墻面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該方法可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速批處理，不足之處是容易將涵蓋震害信息的點(diǎn)云剔除，不利于后期震害信息數(shù)據(jù)的提取分析。方法2：在保留墻面LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整性的基礎(chǔ)上，利用剖面分析的方法提取計(jì)算墻面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，將所有剖面提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差取平均值，即為該墻面LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的背景值，剖面數(shù)量越多分布越均勻，計(jì)算的墻面點(diǎn)云背景值越精確。

本文利用上述2種方法對(duì)無(wú)門窗洞口墻面（圖4a）和有門窗洞口墻面（圖4b）的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面提取分析，對(duì)墻面采用6條均勻分布剖面網(wǎng)格（表4）。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析得出，受點(diǎn)云邊緣噪點(diǎn)的影響，方法1得到的墻面背景值偏大，方法2能夠有效避免自建房屋門窗洞口及墻面的邊緣噪點(diǎn)產(chǎn)生的誤差，計(jì)算得到的墻面點(diǎn)云背景值更準(zhǔn)確，因此采用該方法進(jìn)行計(jì)算分析。

使用方法2對(duì)140個(gè)獨(dú)立墻面數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面分析，利用式（3）計(jì)算每個(gè)獨(dú)立墻面上6條剖面的標(biāo)準(zhǔn)差（表5）。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)回歸分析得出建筑物140個(gè)獨(dú)立墻面LiDAR點(diǎn)云背景值正態(tài)分布圖（圖5）。得到四川蘆山地區(qū)農(nóng)村民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物的地基LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)背景區(qū)間值為0～0.45 cm。當(dāng)垂直于墻面的起伏變形量在0～0.45 cm時(shí)，建筑物墻面即可判斷為無(wú)震害信息;若起伏變形量大于0.45 cm時(shí)，則該點(diǎn)為垂直于墻面向內(nèi)或向外凸出。

四川蘆山地區(qū)農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物多數(shù)為兩層建筑，少數(shù)為一層和三層建筑。為了保留地基LiDAR數(shù)據(jù)建筑物震害信息的完整性，參照《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50203—2011）中墻面垂直度每層允許偏差5 mm的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本文背景值相關(guān)研究，證實(shí)了用地基LiDAR數(shù)據(jù)確定農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物背景區(qū)間值的合理性。

3結(jié)論

本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差原理，采用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，對(duì)在2013年蘆山7.0級(jí)地震災(zāi)區(qū)采集到的基本完好砌體建筑的140個(gè)獨(dú)立墻面的地基LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)合《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，對(duì)基于高精度地基LiDAR數(shù)據(jù)提取的農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物背景值進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到四川蘆山地區(qū)農(nóng)村典型民居砌體結(jié)構(gòu)建筑物的背景值區(qū)間為0～0.45 cm。

寧夏回族自治區(qū)地震局李自芮等參與采集震區(qū)數(shù)據(jù)，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所聶高眾研究員在數(shù)據(jù)分析方面提出了寶貴意見(jiàn)，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所魏占玉研究員在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方面提供了幫助和支持，在此一并表示衷心感謝。

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Analysis of the LiDAR Point Cloud Background Values of the Typical，

Rural，Residential Houses in Lushan，Sichuan Province

YANG Fan1，2，3，WEN Chao2，F(xiàn)AN Zhiwei2，LIU Xiaodan2，LI Xiaoli4，LI Zhiqiang4，WANG Xiaoshan1，2

（1.Hebei Hongshan National Observatory on Thick Sediments and Seismic Hazards，Xingtai 055350，Hebei，China）

（2.Hebei Earthquake Agency，Shijiazhuang 050021，Hebei，China）

（3.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China）

（4.China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

Abstract

Using a terrestrial laser scanner，we collect the high-precision LiDAR point cloud data of the independent walls of the barely damaged masonry structures of the typical residential houses in rural areas hit by the 2013 Lushan，Sichuan MS7.0 earthquake.Then，on the basis of the standard deviation principle，and using statistical regression method，we process the obtained LiDAR data.We find that the interval of background values of the LiDAR point cloud data is 0-0.45 cm.

Keywords：LiDAR；point cloud；background value；typical rural houses；masonry structure；the Lushan MS7.0 earthquake