三維激光掃描技術在高層建筑變形監測中的應用

李仁忠，劉潔

（重慶市勘測院重慶400020）

三維激光掃描技術在高層建筑變形監測中的應用

李仁忠，劉潔

（重慶市勘測院重慶400020）

本文介紹了三維激光掃描測量的原理及特點、儀器測試及站點選擇、誤差成因及數據處理的理論與方法、使用三維激光掃描技術對重慶世貿大廈進行研變形監測數據分析統計，討論了三維激光掃描技術應用在變形監測領域內的可行性、技術優勢和存在的問題，并將地面三維激光掃描技術與常規變形監測方法進行對比，得到定量的分析結果，具有典型的代表意義和社會經濟價值。

變形監測；三維激光掃描；重慶世貿大廈

1 引言

重慶是山地城市，高樓林立，它們的安全運營、使用直接關系到人民的安全。城市高層建筑的變形觀測及安全監測是維護建筑物正常使用的必要技術措施。變形監測的技術手段多種多樣，目前主要采取的方法有：常規測量、GPS測量、傳感測量等。常規變形監測是基于點的測量，信息有限、效率低、安全隱患大、耗時多、受環境影響大。近年來，三維激光掃描測量技術的發展，已在文物古建筑保護、施工檢測、地質災害監測方面有應用，但在建筑變形監測方面的應用實例較少，未形成體系。

將地面三維激光掃描技術引入到高層建筑變形監測領域，具有極大的現實意義，是目前的發展趨勢。重慶解放碑的世貿大廈是重慶的標志性建筑，是西南地區的第一高樓。該大樓設計裙樓為8層，主樓為60層，地下5層；平街層地面標高為251m。本文以重慶世貿大廈的變形監測為例，通過對地面三維激光掃描技術的測量工藝流程和變形監測的試驗研究，探索三維激光掃描技術在變形監測領域的理論方法，從而進一步推動三維激光掃描技術在測繪領域的應用。

2 地面三維激光掃描技術原理及特點

圖1 掃描原理圖

2.1 工作原理

X=Ssinθsinα

Y=Ssinθcosα(1)

Z=Scosθ

激光掃描儀的測距方法是根據光學三角測量的原理(見圖1)，以激光作為光源，通過掃描儀內的發射裝置，將激光束投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，通過測量每個激光脈沖，從發出經被測物表面再返回儀器所經過的時間或相位差，計算出激光掃描儀到物體掃描點之間的距離值S和反射強度I，α、θ和S被用來計算激光打在被測物體上的掃描點的三維坐標（見公式1），掃描點的反射強度I則用來給反射點匹配顏色。這樣就能夠獲取被測對象表面每個采樣點的空間立體坐標，從而得到被測對象的離散采樣點集合，即激光點云。α、θ的大小由掃描控制模塊控制，反映的是分辨率。因此，掃描儀根據應用目的不同，選擇距離S和角分辨率，角值越小，點云越多，模型更精細，紋理更清晰。

2.2 地面三維激光掃描技術的特點

（1）測量速度快、效率高，最高達5000點/秒。

（2）信息量豐富，以大量的點云坐標代表監測體，且帶有建筑體表的紋理信息。

（3）測量的準確性高，精度根據儀器型號、距離遠近、反射面的反射程度不同而有差異，能滿足10mm-0.003mm的精度。

（4）非接觸測量，有利于保護被測物體，無需埋點，節省資金和時間，減少了安置反射標志帶來的安全隱患。

采用地面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。

3 儀器測試及站點選擇

3.1 儀器選擇及可行性分析

為落實三維激光掃描儀在山城地區標稱精度，在空曠道路邊選取四段距離，儀器與目標間隔約50m、150m、220m、300m，首先用Lcia2003全站儀（0.5秒，1+1PPm）配棱鏡測出三段距離，在腳架、基座不動，儀器中心、目標中心、高度相同的情況下，用Trimble GX 3D配標靶面測出三段距離進行比較，見圖2，比較結果見表1。

由表1可知，在50m內，掃描精度能滿足一級變形精度要求，在150m內能滿足二級變形精度要求，220m內能滿足三級變形精度要求，300m附近只能用于變形量較大的監測對象，能反映出監測體的變化趨勢。

圖2 儀器測試

表1 全站儀與掃描儀測距比較數據

3.2 建筑物掃描試驗

為檢定掃描儀短距離掃描建筑體的精度，選擇了距設站91m的“女人廣場”建筑體進行了連續4次掃描，該建筑體墻面為瓷磚襯砌，與激光束基本垂直，反射效果好，見圖3，各期結果統計見表2。

圖3 建筑掃描測

表2 距離100m內掃描大樓變形量模型統計表

由表2可見，變形量(Δ)大于10mm為粗差，排除粗差后，各次掃描數據點云比較差值較小，最大值為3.0mm，最小值為1.1mm，中誤差為0.8mm，按二級變形觀測規范要求平面點位誤差為2.5mm，限差為4.2mm（兩次之差取限差3.0的√2倍），滿足規范要求。就是說在150m內，三維激光掃描用于建筑體的變形監測能滿足規范要求。

3.3 掃描站點選擇

根據儀器的精度，通過多次對掃描場地進行踏勘，確定了合理的設置儀器架設方案。根據方案要求，觀測高度角應小于30度，距離在100m～200m，因解放碑世貿大廈大樓外全部裝飾，大部份為幕墻玻璃，為避免全透射情況發生，選擇解放碑世貿大廈樓頂上的“中央商務區”標志為高層建筑掃描監測目標，利用世貿大廈施工監測時布設的基準網點SM2、SM3為起算點，引測2個工作基點TP1、TP2，使得站點至建筑物間的距離在130m左右，便于掃描儀和全站儀同時進行觀測，如圖4所示。選擇天寶公司的Trimble FX 3D掃描儀，該儀器最大測程為350m，在100m內其點間距為2.5mm，模型化后一般能夠達到2mm的點位精度。

圖4 世貿大廈掃描

4 點云數據誤差成因及后處理

4.1 誤差的成因及影響

影響地面三維激光雷達采樣數據精度的因素較多，主要包括：步進器的測角精度、儀器的測時精度、激光信號的信噪比、激光信號的反射率、回波信號的強度、背景輻射噪聲的強度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測點間的距離、儀器與被測目標面所形成的角度等。

這些影響因素直接導致了相應誤差的產生。在不考慮信號測量誤差的影響下，地面激光雷達的采樣數據的精度主要取決于激光光斑的尺寸和光斑的點間距，這是影響其分辨率的主要因素。通常情況下，激光掃描數據的模型精度要顯著高于單點的精度，可以考慮通過設立標靶、球形目標的坐標來改正點云的坐標，提高掃描模型的精度。

4.2 粗差剔除

原始點云數據包含了大量的粗差、錯誤和無關信息。盡管激光雷達具有一定的穿透能力，但激光掃描采集得到的數據仍然存在前景遮擋后景的現象、飛鳥或其他游離在視場內的目標產生的數據、局部的跳變數據和激光穿透窗戶或照射目標完全吸收了激光信號等情形。這些粗差的剔除是掃描數據處理的一個關鍵，目前主要采用的是人工交互操作來實現。

將世貿大廈截取大樓頂部“中央商務區”標示區作為掃描面，人工編輯剔除粗差，得到的結果如圖5所示。因大樓表面墻體是鋁合金裝飾材料，不利于掃描，大部分的激光點被散射掉，獲得的點云密度不高。

圖5 世貿大廈編輯后的點云數據

4.3 變形監測數據處理

將掃描得到的前后兩期點云數據進行對比分析。用一組等間距的橫向或縱向的截面截取兩個掃描面，得到相同位置處兩個掃描面之間點云的位移，即可將其視為兩個時期的變形量。根據需求控制截面的間距，可得到密度不同的結果。

圖6 世貿大廈兩期點云數據的變形量分析圖

將世貿大廈編輯后的相鄰兩期離散點云數據疊加在一起，用上述方法進行比對后，得到變形量的統計結果，如圖6所示。變形量按照其大小用不同的顏色來表示，由此可以直觀地看出變形的分布情況。由變形量的變化范圍可知，編輯后的點云仍含有一定的粗差點。將后面三期的點云數據，分別與第一期數據進行比對，得到累計變形量。將變形量的可視化結果局部放大，如圖7所示。圖7中的若干短線即為該位置處兩個掃描面間的距離，短線的長度值即為兩期觀測值間的變形量。

圖7 變形量可視化結果局部放大圖

5 數據統計與分析

由于世貿大廈表面墻體是鋁合金裝飾材料，編輯后的激光點云數據仍然存在大量的粗差點。因此，將變形量在20mm外的點視為粗差點，將20mm內的變形量作為有效數據進行統計分析，并將統計得到的平均變形量作為世貿大廈各期激光點云數據間的變形量。在用地面三維激光掃描系統對世貿大廈進行掃描的同時，也使用常規測量方法對其進行變形觀測，得到各期同一時刻對應的觀測數據。將兩種方法得到的變形量進行比較，結果如表3所示。

表3 激光掃描與傳統觀測變形量比較表

用三維激光掃描技術與常規觀測方法分別對世貿大廈進行測量，得到相鄰兩期及各期累計的變形量變化趨勢，如圖8所示。由統計結果可以看出：常規觀測方法是基于點的測量，得到的變形點的變形量起伏較大；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，更能反應出目標建筑整體的變形情況。兩種方法因變形量表示方式的差異，而有少量的偏差，但結果基本一致，均反映世貿大廈因受風力和日照等因素的影響處于動載中的情況。

圖8 世貿大廈激光掃描與傳統觀測變形量變化趨勢圖

6 結語

地面三維激光掃描技術正被越來越多地應用于各個領域，對三維激光掃描技術應用于高層建筑的變形監測時，站點選擇應控制掃描距離在150m內，保證掃描精度，滿足規范要求。地面三維激光掃描技術作為一項全新的測量技術，與其相關的精度評定以及誤差理論等，都還在探索過程中，有待進一步研究完善。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，是目前的發展趨勢。

[1]羅德安，朱光.基于3維激光影像掃描技術的整體變形監測[J].測繪通報，2005，(7):40-42.

[2]鄭德華，雷偉光.地面3維激光影像掃描測量技術[J].鐵路航測，2003，(2):26-28.

[3]馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[M].武漢:武漢大學，2005.

[4]劉宏.用三維激光成像技術調查高陡邊坡巖體結構[J].中國地質災害與防治學報，2006，17(4):38-41.

[5]鄭德華，沈云中.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005，14(2):32-34.

責任編輯：余詠梅

Application of Three-Dimension Scanning Technology in Transmogrification Monitoring in High-Rises

This article describes the principle concerning Three-Dimension Scanning Technology，instrument testing and the choice of monitoring stations.It also deals with the causes of errors，data processing theory and how it is used in Transmogrification Monitoring in Chongqing's World-Trade High-Rise.The article exclusively focuses on the feasibility study concerning the relative fields and the advantages and disadvantages.Finally，a comparison is made concerning the ground Three-Dimension Scanning Technology with Transmogrification Monitoring to enable a quantitative analysis. Therefore，it is of typical social significance and economic values.

transmogrification monitoring;three-dimension scanning technology;Chongqing's world-trade high-rise

TU113.2

：A

：1671-9107（2010）10-0042-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.10.042

2010-6-24

李仁忠（1964-），男，本科，高級工程師，主要從事測繪管理與研究。

劉潔（1980-），女，博士，主要從事攝影測量與遙感、三維激光掃描等方面的研究。