三維掃描技術(shù)在前衛(wèi)歪塔糾偏工程中的應(yīng)用研究

張悅

（遼寧有色勘察研究院 遼寧 沈陽 110013）

摘要：本項目所施工對象是號稱“世界第一歪塔”的綏中縣前衛(wèi)歪塔，工程目的是減小歪塔傾斜度4°，以便防止古塔因過度傾斜發(fā)生傾倒。在項目施工過程中，引入三維激光掃描技術(shù)利用采用了非接觸式測量方法來對歪塔糾偏進行監(jiān)控，利用高密度點云所形成的三維模型監(jiān)控塔身體整體結(jié)構(gòu)，并從整體到細部監(jiān)控歪塔各層面上的形變與扭曲程度。利用三維激光掃描技術(shù)進行非接觸測量不僅不損壞文物，而且利用“點云擬合平面”方法來監(jiān)控并指導(dǎo)歪塔糾偏，避免了以往接觸式測量的條件限制與不利影響，本技術(shù)方法的數(shù)據(jù)采集速度快，作業(yè)效率高。

關(guān)鍵字：三維激光掃描技術(shù)，點云擬合平面，三維模型監(jiān)控，非接觸式測量

中圖分類號：TU753文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

1、引言

利用三維激光掃描技術(shù)進行非接觸測量不僅不損壞文物，而且利用“點云擬合平面”方法來監(jiān)控并指導(dǎo)歪塔糾偏，避免了以往接觸式測量的條件限制與不利影響，本技術(shù)方法的數(shù)據(jù)采集速度快，作業(yè)效率高，利用0.5″高精度全站型測量機器人并采用雙基線極坐標法建立像控網(wǎng)，應(yīng)用此方法驗證檢核擬合面的精度；由整體到細部地監(jiān)控歪塔整體形變與扭曲的程度，大大提高了監(jiān)控效率，并加強了監(jiān)控工作在糾偏工程中的指導(dǎo)性作

2.1 外業(yè)掃描工作

施工掃描是為了獲得歪塔數(shù)據(jù)的三維初始模型；施工工程中會對歪塔進行實時監(jiān)控掃描，利用獲得的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)施工的進行；施工完成后掃描是為了驗證最后的糾偏角度結(jié)果，確保糾偏工作是否達到設(shè)計要求[2]。每次掃描都設(shè)置3個掃描站，其中一站就是在歪塔糾偏方向的延長線上（即KZ1站），量測出歪塔上對著KZ1的立面上的15個像控點三維坐標，便于后期對歪塔的角度量測。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

通過外業(yè)的掃描觀測工作可獲歪塔各個面的離散點云數(shù)據(jù)，如果單獨分析離散點云我們很難分析出其姿態(tài)，但是把這些點云數(shù)據(jù)擬合為一個面，就能方便地進行分析了。利用處理三維數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件“Riscan Pro”我們通過立面圖及裙帶面上的像控點分別生成了立面圖及裙帶面上的擬合平面[1]。

2.3歪塔傾角的計算

在Riscan Pro軟件中可以獲得擬合平面上任意點的三維坐標，從而可以利用平面方程公式，并且利用最小二乘法原理求得方程系數(shù)，最終求解出每一個生成的擬合平面的方程。

利用面面夾角公式分別計算出立面擬合面與豎直面的夾角及裙帶面與水平面之間夾角，并利用兩種擬合平面算出的角度平均值再求取一次平均值得出最后的傾斜角度值，最后以歪塔與豎直面的夾角為最終的成果表達，最后結(jié)算出初始值為12°42′。

在整個糾偏施工結(jié)束后，我們進行三次每次間隔半個月的掃描測算工作，測得歪塔傾斜角度分別為7°56′53″、7°57′31″、7°57′14″，此后每三個月監(jiān)測一次，共監(jiān)測4次，塔身傾角平均值為7°57′21″。通過數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)值變化不大，說明歪塔已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，通過對觀測值計算可以得出如下結(jié)論，綏中歪塔的傾角已從原來的12度多，經(jīng)過糾偏及加固，傾角糾正到近8度。

2.4 擬合平面的精度評定

1） 基線網(wǎng)的建立：在歪塔的周圍設(shè)立的3個工作點（也是三維掃描儀的測站及后視點），由此3點建立一個閉合的雙基線網(wǎng)。2） 基線網(wǎng)的等級要求：采用四等導(dǎo)線測量，測邊相對中誤差為1/89000，導(dǎo)線全長相對閉合差≤1/46000。3） 雙基線極坐標法測量像控點：給定工作點KZ1一個三維坐標值，利用索佳0.5″全站儀并根據(jù)極坐標法測得KZ2及KZ3的三維坐標。利用全站儀分別測得15個像控點的三維坐標。4） 擬合面的精度評定本項目對擬合面的精度評定采用的方法是點距法。即先根據(jù)點到平面的距離公式計算出立面及裙帶面上像控點到其相應(yīng)的擬合平面的距離d，然后計算出中誤差，得到擬合平面的精度公式為： 。

通過檢驗擬合平面精度來識別每次歪塔掃描數(shù)據(jù)的精度是否在同一誤差范圍內(nèi)，因為只有在同一誤差范圍內(nèi)的掃描數(shù)據(jù)所獲得的擬合面才具有可比性，這樣的才能真實的反應(yīng)出歪塔的傾斜角度的變化。

2.5 利用三維掃描技術(shù)建立的立體模型把握歪塔整體變形程度

利用3站測得的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)業(yè)的降噪處理，剔除雜點，并在Riscan Pro中建立歪塔的真三維、真尺寸、真紋理的空間立體三維模型，在施工進行的過程中多次掃描，從整體層次上把握施工前后歪塔的變形情況，以便于為設(shè)計人員及施工人員提供準確及時的測量數(shù)據(jù)。

3、結(jié)論：

本項目在文物糾偏工程中引入了三維激光掃描技術(shù)進行監(jiān)測，在國內(nèi)也是首例，利用三維激光掃描技術(shù)進行非接觸測量不僅不損失文物，而且利用“點云擬合平面”方法來監(jiān)控并指導(dǎo)歪塔糾偏，避免了以往接觸式測量的條件限制與不利影響，本技術(shù)方法的數(shù)據(jù)采集速度快，作業(yè)效率高；利用三維掃描技術(shù)快速有效地生產(chǎn)歪塔的高密度數(shù)字表面立體模型，由整體到細部地監(jiān)控歪塔整體形變與扭曲的程度，此種從整體到細部的監(jiān)控方法的效率有著其他常規(guī)測量方法所不可及的明顯優(yōu)勢

參考文獻

1. 吳靜，靳奉祥，王建. 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模[J]. 測繪工程，2007，16（5）：57-60

2. 張國輝. 基于三維激光掃描儀的地形變化監(jiān)測[J]. 儀器儀表學(xué)報，2006，27（6）