基于三維激光掃描的建筑物變形監測方法研究

安慶軍 吳剛

摘要：隨著我國經濟的發展，我國的建筑業也得到了快速的發展，這就使得工程測量的服務領域也在不斷的拓寬，這就使得，我國相對傳統的坐標測量儀已經不能夠滿足測量精度較高的工程施工及檢測的需要。而三維激光掃描技術由于其測量的精度相比較傳統測量技術有極大的優勢，所以在各給領域得到了廣泛的應用，特別是在對建筑物的變形監測的應用中，本文就通過實例來對其方法進行了研究，希望為以后類似的工程提供一些參考。

關鍵詞：三維激光；建筑變形；檢測

中圖分類號：TU74文獻標識碼： A

引言

目前，我國對于建筑物變形監測一般都是采用水準儀、GPS或全站儀觀測，通過多次的觀測數據進行對比分析，從而進行變形情況的評估，再提出一些安全性的建議，這就使得對于建筑物的整體變形的監測存在著一些遺漏。而三維激光掃描技術可以對建筑物進行全面且快速的激光掃描，迅速地獲得大量的特征數據，從而對建筑物變形監測情況進行正確的評估。本文就通過實例來對三維激光掃描技術在建筑變形監測方法進行了一些分析，希望可以為以后同類的施工提供相應的參考。

一、三維激光掃描技術原理及特點

三維激光掃描技術是一門新興的測繪技術,是測繪領域GPS技術之后的又一次技術革命。它是由傳統測繪計量技術經過精密的傳感工藝整合及多種現代高科技手段集成而發展起來的,是對多種傳統測繪技術的概括及一體化。

1、三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描技術是通過內部的激光脈沖發射器向目標物發射激光脈沖，反光鏡旋轉，發射出的激光脈沖掃過被測目標，信號接收器接收來自目標體反射回來的激光脈沖,通過每個激光脈沖從發出到被測物表面返回儀器所經過的時間，可以獲得被掃描物體到掃描中心的距離,同時掃描控制模塊控制和測量每個激光脈沖的水平掃描角和豎向掃描角，處理軟件自動解算得出被測點的相對三維坐標(云點)。進而轉換成絕對坐標系中的三維空間位置坐標或三維模型。

2、系統組成

三維激光掃描系統一般由三維激光掃描儀、數字照片成像設備、點云數據處理軟件以及其他附加設備組成。掃描儀用來獲取目標的三維數據，照片成像設備對目標的原始情況進行記錄并可以參與對后期的虛擬模型修正，后處理軟件對獲得的點云數據進行讀取和處理，如ILRIS3D掃描儀的Polyworks軟件、Leica三維激光掃描儀的Cyclone后處理軟件等，這些軟件都可以對數據進行編輯、轉換、拼接和三維建模。

3、三維激光掃描技術的特點

（1）高數據采樣率

能高速獲取大面積目標實體的空間信息。應用激光掃描測量技術進行目標實體空間三維信息的獲取速度非?？?可以實時測定實體表面三維信息進而可以應用于形變監測等領域。

（2）非接觸性

三維激光掃描系統，是通過發射脈沖信號和接收被測物體反射回來的脈沖信號，對目標表面的形態信息進行獲取和量測的。因而此過程中不需要人為的接觸到被測量的物體,這使得該技術可以廣泛應用于危險領域和測繪人員不可達到位置的測量等。

（3）穿透性

激光具有穿透性，可以穿透一些不太緊密的遮擋物，到達建筑物的實體表面，從而瞬間就可以獲取建筑物實體表面的大量點云信息,在通過這些點云的信息就可以描述出建筑物表面不同層面的幾何信息。

（4）精度高，密度大的優點

激光掃描測量技術可以快速的獲取大面積建筑物的空間信息，在通過對其進行直接的掃描來描述建筑物的特征，使用龐大的點陣和濃密的格網來獲取目標信息采樣點之間的間距很小。采用三維激光掃描技術能夠快速、連續、自動地獲取高精度、高密度的三維數據獲得的三維點云具有廣泛的應用性。

二、三維激光掃描技術在變形監測中的應用

1、工程概況

被監測建筑物為某園區內一幢磚混砌體結構辦公樓，樓層數為四層樓高約15米。根據現場實際情況掃描需在職員辦公期間完成,以避免人員行走頻繁對點云數據完整性的影像。辦公樓東側為房屋密集區，無法進行架設儀器，故本次只針對辦公樓的南、西、北三個立面進行掃描,分別在南、西、北三個方向布設3個變形監測點并保證無掃描盲區，最大限度地保證立面的數據完整性。

2、數據采集

本次掃描設備采用LeicaSca心taltonC10三維激光掃描儀,C10三維激光掃描儀是一款高速激光掃描擁有內置400萬像素高清晰相機,300m的遠距離掃描范圍360°*270°(水平*垂直)的超大視場角,50000點/秒的超高速掃描速度全中文觸摸式彩色操作界面赴外業的數據采集過程既簡便高效又可獲得項目需要的數據。CIO可以采用四種設站方式：（1）已知測站點和定向點坐標方式;（2）已知測站點坐標和定向方位角方式;（3）后方交會方式;（4）任意設站方式。本項目首次掃描采用第二種方式J段設1號觀測點為已知測站點，2號觀測點方向為定向方位。將掃描儀架設在1號觀測點上，2號觀測點為定向點，測得2號、3號觀測點坐標并保存記錄已備第二次進行掃描。 2號、3號測站點的掃描就可以采用第一種設站方式,這樣3站掃描獲得的數據就在一個獨立的坐標系中,避免了內業點云拼接的步驟提高了工作效率。掃描采用中等密度采集方式進行全景掃描(100米處每隔0.1米采集一點)滿足了變形監測的需要。

3、數據處理

（1）點云去噪

在數據采集中,由于車輛、行人、樹木等因素的影響，我們采集到了很多無用的數據，這些數據稱作噪聲數據，將這些數據的剔除過程叫做數據濾波。噪聲數據與有用數據點云的區別在于噪聲數據是不連續的、無規律的、比較稀疏而雜亂,利用這一特點可以將噪聲數據剔除。例如辦公樓南面的幾棵大樹外墻上的空調等。這些數據都會影響到最后的分析成果所以必須去除。

（2）點云切割

本項目為方便數據分析以及后期成果輸出的效果以辦公樓單個外立面為單位進行分析比對,所以需對去噪后的點云進行切割獲得單面的點云數據。

（3）數據分析

數據分析是利用檢測軟件GeomagicQllahfy對前后兩期掃描獲得的點云數據進行對比分析,兩期同一掃描面中相同位置之間點云的位移,即可視為兩個時期的變形量并創建出三維彩色偏差圖來量化兩者之間的結果偏差。

4、建筑物監測后的結論

在變形監測中，常規觀測方法是基于點的測量得到的變形點的變形，起伏較大，而三維激光掃描方法是基于面的測量，測量出的平均變形量起伏較為平緩 ，更能反映出目標建筑整體的變形情況。采用三維激光掃描技術對建筑物進行變形監測在保證一定掃描距離和點云密度的條件下,數據處理結果能夠滿足變形監測的要求。其主要優點是可以一次快速、完整全方位采集建筑物的表面數據加快了數據采集速度膽也存在著一些問題。

（1）由于現場情況比較復雜利用三維激光掃描儀進行數據采集時不可避免地存在測量“死角”例如在辦公樓北面有樹木遮檔未能獲得辦公樓北面墻完整的點云數據對點云數據數據分析產生一定的影響。

（2）在點云去噪時采用的是人工去噪的方式肩可能會把正確的點云刪除。尤其是在墻面上的電線和門窗等,這些點云數據緊貼著墻面很難根據噪點數據的非連續性、離散性等特性刪除,增加了去噪的難度和工作的效率使數據分析精度受到影像。

（3）將三維激光掃描技術應用于建筑物變形監測領域,具有良好的應用前景和可行性。

結束語

綜上所述，三維激光掃描技術在建筑變形監測中得到了良好的應用，雖然在應該的過程中還是存在著一些問題，但是隨著我國科學技術的不斷進步，三維激光掃描技術一定會得到良好的發展，從而不斷完善對建筑變形監測的方法，進一步的推動我國經濟大發展。

參考文獻

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