基于三維激光掃描技術的建筑物變形監測應用

王宗輝（甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020）

基于三維激光掃描技術的建筑物變形監測應用

王宗輝（甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020）

建筑物變形監測是建筑施工后期的一項重要工作。傳統的變形監測作業強度大、工作效率低等直接制約建筑物的基本應用。三維激光掃描儀的工作模式能更好的替代傳統作業模式，文中通過實際案例分別應用三維激光掃描技術和全站儀技術對建筑物進行變形監測工作，對后期數據進行對比分析，更直觀的反映出三維激光掃描技術在建筑物變形觀測工作中的可行性。

三維激光掃描技術；變形監測；精度分析

1 引 言

建筑工程的質量對社會的建設及人們的生命安全產生巨大的影響，因此提升建筑工程的質量與安全是建筑行業未來發展的必然趨勢[1]。而建筑物變形監測是建筑施工后期的一項重要工作，為了保證建筑物在施工、使用和運行中的安全，以及為建筑物的設計、施工管理及科學研究提供可靠的資料，需要對建筑物在運行期間進行穩定性觀測[2]。由于建筑物在使用期間受力不均勻導致建筑物發生沉降、傾斜、裂縫甚至垮塌，將直接影響建筑物的使用壽命。故通過高精度的測繪工作，在建筑物正常使用過程中監測其變形值，確保建筑物的正常使用是施工后期的一項重要工作。傳統的建筑物變形監測手段主要通過水準儀、全站儀及GPS等儀器采集單點數據進行變形分析，工作程序復雜、工作效率低等因素制約了建筑物變形監測工作。三維激光掃描技術是繼GPS空間定位技術之后的又一項測繪技術革命，通過高精度、高速度的三維數據獲取模式，大量應用于城市三維建模、隧道監測、橋梁測繪、建筑及古跡測量等工程項目。隨著三維激光掃描技術的不斷發展，由逐點掃描的工作模式發展成為面掃描的模式，也為我們通過三維掃描技術應用于建筑物的變形監測奠定了技術基礎。

2 三維激光掃描技術簡介

三維激光掃描儀主要部件為激光發射器和接收器，利用發射器發射激光脈沖信號，經物體表面反射，反向同路徑傳送至接收器，獲取距離D；控制編碼器同步橫向掃描角度觀測值（即水平角）和縱向掃描角度觀測值β（仰角或俯角），推算坐標方位角和豎直角，結合測站坐標，計算目標點的坐標（X,Y,H ）。計算方法為：

具體工作原理和坐標計算原理見圖1、圖2。

圖 1 三維激光掃描儀工作原理

3 三維激光掃描技術在建筑物變形監測中的應用

按照傳統的建筑物變形監測是對建筑物進行水準測量以觀測建筑物的沉降變形值，全站儀觀測坐標以確定建筑物的位移變形值，進而對觀測數據進行比對分析，其重在發現建筑物的關鍵點變形，無法體現建筑物的局部變形和整體變形。三維激光掃描技術對建筑物的表面采集周期性、全面性點云數據，以立體的三維建模軟件為展現平臺，構建建筑物的三維立體模型，更有效、更直觀的反映建筑物的變形數據和變形趨勢。

圖2 三維激光掃描儀坐標計算原理

圖3 工作基點和觀測點分布圖

本次研究為了突出其應用性，主要以學院新建的教學樓為研究對象。該樓房為八層主體建筑，周圍無其他建筑遮擋，北面為操場，南面為小廣場，地面平整，觀測時間為中午，避免人員等外界環境的影響。三維激光掃描全部采用掃描測量方式進行數據采集，為了提升觀測精度，觀測過程中使用天寶OverScan功能。同時為了檢驗關鍵點精度，在關鍵點設置十字標記，利用0.5″全站儀進行數據采集，分析三維激光掃描儀和全站儀的精度差異。具體使用的儀器參數見表1。

依據《建筑變形測量規范(JGJ8－2016)》的基本要求，在觀測前期利用GPS靜態工作模式和二等水準測量工作模式分別采集基準點及工作基點的坐標數據和高程數據。主要工作基點和觀測點點位分布見圖3。

將全站儀和三維激光掃描儀分別假設在J1、J2…J6等工作基點上,A、B、C、D點為精確觀測點，布設觀測標志。應用全站儀精密觀測A、B、C、D點，每次觀測3組數據進行平均處理；同時利用天寶GX三維激光掃描儀掃描整個建筑物，并且對A、B、C、D點進行精確掃描，以獲取公共點精確數據和點云數據。依據觀測方案，2015年6月1日、2015年12月1日、2016年6月1日和2016年12月1日分別進行了完整的數據采集。

根據觀測數據，全站儀數據依據變形觀測數據處理思路進行常規分析。三維激光掃描儀數據利用天寶公司的RealWorks Survey Advanced點云數據處理軟件對采集的數據進行處理，由于掃描過程中測量環境、監測對象的表面反射率及人工操作的影響，點云數據會出現一定的誤差。所以數據處理過程中，利用KDTree的點云去噪算法、雙邊濾波[采空區三維激光掃描點云數據處理方法,基于雙邊濾波的點云數據預處理方法]等方法處理數據中的噪點[3-4]，進行數據過濾，確保數據的精度和密度，進而建立三維模型，對目標建筑物進行變形分析，繪制變形線。

圖 4 全站儀觀測數據點位變形線

表1 全站儀和三維激光掃描儀參數總表

表2 A點坐標數據對比表

表3 全站儀和三維掃描儀坐標數據差值一覽表

4 精度分析

三維激光掃描儀的主要誤差來源有：激光測距誤差、掃描角度的誤差、目標物體反射面誤差、多路徑效應以及外界環境的影響[5]。通過降噪處理的點云數據，點云過濾、匹配顏色、多站自動拼接等數據處理過程，獲取目標建筑物中A、B、C、D四個關鍵點的三維坐標，進而比對全站儀采集數據的三維坐標，以A點數據為例對比見表2。

分別對A、B、C、D四個點對應的觀測次數進行比較，具體數據見表3。

通過表3可以明確發現。在利用全站儀和三維激光掃描儀進行變形觀測過程中，其誤差值完全可以滿足建筑物變形監測的需要。同時，三維激光掃描儀具備全站儀等傳統觀測方法更多的優勢，例如非接觸式測量、速度快、工作強度低以及點位組成的點云數據可構建三維模型，更直觀的反映出建筑物的變形特點和變形趨勢。

5 結 語

通過詳細試驗案例，分析對比試驗數據，得到以下結論：1）三維激光掃描儀的出現不僅改變了現有測繪數據的采集模式，而且在數據的應用上更直觀、更詳盡，在數據的挖掘上更能體現數據的價值；2）三維激光掃描儀通過原始點云數據，可以提供建筑模型數據、建筑平面圖和剖面圖、點云漫游視頻、模型漫游視頻、虛擬現實瀏覽、實景漫游瀏覽、三維GIS應用等，更直觀的對建筑物數據進行整體評價應用；3）三維激光掃描儀在變形監測中具有一定的可行性，更加方便應用于實際，能夠及時預報建筑的變形趨勢，確保建筑的安全使用。

[1]彭彥輝.建筑工程質量安全監督潛在問題分析.中國建材科技.2016（05）

[2]梁正軍.實施沉降觀測,確保建筑安全.科學之友.2012（12）

[3]陳凱，張達，張元生.采空區三維激光掃描點云數據處理方法.2013（08）

[4]公羽，呂志鵬. 基于雙邊濾波的點云數據預處理方法 .2016（01）

[5]楊忞婧.地面三維激光掃描儀的測量誤差分析.東華理工大學學報（自然科學版）.2013（06）

Application of building deformation monitoring based on 3d laser scanning technology

Building deformation monitoring is an important work in construction survey.The traditional deformation monitoring work intensity is big,the work efficiency is low and restricts the basic application of the building directly.3D laser scanner can better replace the traditional mode of operation.In this paper,the three-dimensional laser scanning technology and the total station technology are used to monitor the deformation of the building,and the contrastive analysis of the later data is more intuitive.The Feasibility of 3D Laser Scanning Technology in Building Deformation Observation.

3D laser scanning technology；deformation monitoring；accuracy analysis

TU74文獻辨識碼：B

：1003-8965(2017)02-0070-03

甘肅省教育廳科研項目,編號：20158-157