三維激光掃描技術在古塔傾斜測量中的應用研究

程會平，梁爽，熊劍

(1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.國家測繪地理信息局第二地形測量隊，陜西 西安 710054)

三維激光掃描技術在古塔傾斜測量中的應用研究

程會平1*，梁爽2，熊劍1

(1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.國家測繪地理信息局第二地形測量隊，陜西 西安 710054)

隨著文物保護事業的深度發展，文物保護的信息化、科學化水平逐步提高。三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描測繪技術，可以連續、自動、快速獲取大量目標地物表面的三維點云數據，具有獲取數據量大、精度高、不接觸、全天候工作等優勢。本文主要以陜西省某古塔為例，采用三維激光掃描測量技術獲取其在垂直方向的變形量，并利用全站儀測量的常規測量手段驗證，通過對比分析，得出三維激光掃描技術能夠應用于古塔傾斜測量。

三維激光掃描技術；古塔；傾斜測量

1 引 言

隨著文物保護事業的深度發展，文物保護的信息化、科學化水平逐步提高。信息化測繪技術作為重要技術手段和有效支撐，可以為文物保護提供準確可靠的數據[1]。

三維激光掃描技術(3D Laser Scanning Technology)是一種先進的全自動、高精度、立體掃描測量技術。它是用三維激光掃描儀獲取目標物表面各點的空間坐標，然后由獲得的點云數據構造出目標地物的三維模型的一種全自動測量技術[2]。三維激光掃描技術可以連續、自動、快速獲取大量目標地物表面的三維點云數據，具有獲取數據量大、精度高、不接觸、全天候工作等優勢[3～5]。

本文主要采用三維激光掃描技術開展古塔的傾斜測量研究工作，并以傳統的測繪方法驗證該方法的準確性與可靠性，為古塔的傾斜測量提供一種新的技術手段。

2 技術路線

以陜西省某古塔作為研究對象，應用三維激光掃描技術獲取古塔的三維點云數據，通過點云的拼接、去噪等處理，獲取古塔的點云數據，并計算其垂直方向偏移角度。根據相關規范要求，在塔的周圍布設控制點，采用全站儀測量的常規方式獲取該塔的垂直方向偏移角度，并以此作為基準驗證三維激光掃描技術獲取的古塔傾斜結果[6]，如圖1所示。通過對比分析，驗證三維激光掃描技術在古塔傾斜測量中應用的可行性。

圖1 技術路線圖

3 實驗及分析

3.1 三維激光掃描技術測量古塔垂直方向偏移角度

(1)測量設備

應用了徠卡ScanStation超高速三維激光掃描儀，掃描距離可達 270 m，測角精度8″，測距精度 1.2 mm+10 ppm，掃描速率高達1，000，000點/秒，系統精度指標如圖2所示。

圖2 系統精度

(2)測量方法及結果

應用三維激光掃描技術獲取了古塔的點云數據，以此數據為基礎開展計算。在塔底的點云數據處用水平面裁切，形成一個六邊形，通過計算獲取六邊形的中心O，在該中心處作垂線L。在塔頂五層處用水平面裁切，獲取該層六邊形平面的中心點A，作OA連線，計算OA與垂線L的夾角即為塔在垂直方向的偏移角度。計算示意圖如圖3所示。

通過計算，得出古塔在垂直方向的偏移角度為2.84°。

圖3 三維激光掃描測量偏移角度

3.2 常規測量方法驗證

(1)測量設備

本次驗證測量的等級為三級，精度±10.0 mm。采用了日本索佳全站儀，型號為SET230RK3，測角精度2″，測距精度 2 mm+2 ppm，測量儀器參數如表1所示，本次驗證過程及結果由該塔管理方提供。

(2)測量方法及結果

在塔周圍適當位置布設了4個控制點，編號Z1、Z2、Z3、Z11，位置示意圖如圖4所示。

圖4 控制點位置示意圖

采用假設坐標系統，以Z3點的磁北方向為正北方向定向，假設Z3坐標，用極坐標法測出Z1、Z2、Z11的坐標。然后分別在Z11、Z3控制點上架設全站儀，按極坐標法實測塔底部各角細部坐標(各點高度基本相同，高度為塔體接地面高度)，取塔底部各角細部坐標的平均值作為塔底部中心坐標。同理實測塔上部中心坐標。塔的高度測量，采用全站儀兩次實測塔頂部高程，塔頂平均高程減去塔底各角平均高程即得到塔的高度 18.2 m。根據塔上部中心坐標和塔底中心坐標，可以計算出塔頂中心與塔底中心在水平投影面上的距離為 0.896 m，通過以上數據可以計算獲取塔在垂直方向的偏移角度2.82°。偏移角度的計算方法如圖5所示。

圖5 塔偏移角度計算方法

3.3 結果分析

(1)三維激光掃描技術測量的古塔在垂直方向的偏移角度與常規方法相差0.02°。以常規方法測量的古塔高度 18.2 m作為基準，塔身偏移在地面上的投影距離為：tan(2.84)×18.2=0.903 m，與常規方法相差 7 mm，考慮到誤差因素，兩種方法的測量結果基本一致。

(2)考慮到兩種方法本身的差異，為了減少塔頂選取位置等人為操作產生的干擾，只選取了古塔在垂直方向的偏移角度作為實驗對比因素。

通過實驗結果可以得出，三維激光掃描技術能夠應用在古塔傾斜測量方面開展應用。

4 結 語

應用三維激光掃描技術對某古塔開展傾斜測量工作，并以常規的全站儀測量方法作為驗證手段，通過測量結果的對比分析，得出三維激光掃描技術能夠在古塔的傾斜測量中展開應用，精度能夠滿足要求。

三維激光掃描技術速度快，操作簡單，非接觸式的測量方式，既減少了工作量，提高了效率，又對古塔等文物不造成破壞，有利于古塔等文物的保護。

[1] 李海泉，楊曉鋒，趙彥剛. 地面三維激光掃描測量精度的影響因素和控制方法[J]. 測繪標準化，2011，27(1)：29～31.

[2] 劉廣輝，楊曉鋒，劉永雷等. 地面激光掃描技術用于考古發掘的研究[J]. 測繪標準化，2013，29(2)：23～25.

[3] 周富強，吳艷，戴燦偉等. 三維激光掃描技術在渠坡凍脹監測中的應用[J]. 測繪通報，2014(11)：129～132.

[4] 李婷峰，楊潤萍. 基于地面三維激光掃描儀的丘陵地區地形快速測量[J]. 地礦測繪，2014(4)：20～22.

[5] 段煉，田滔. 基于地面三維激光掃描的精細地形測繪[J]. 城市建筑，2014(9)：368～368.

[6] 臧偉，錢林，孫寶軍等. 地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用[J]. 北京測繪，2015(3)：130～135.

The Application Research of Tilt Measurement of Ancient Tower on 3D Laser Scanning Technology

Cheng Huiping1，Liang Shuang2，Xiong Jian1

(1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.，Ltd，Wuhan 430022，China；2.The Second Topographic Surveying Brigade of NASG，Xi’an 710054，China)

With the development of cultural relic protection，the level of information and scientific of cultural relics protection is gradually increasing. Three-dimensional laser scanning technology is a kind of advanced high-precision automatic scanning technology，which can capture a large number of three-dimensional point cloud data of surface of the target objects continuously，automatically and quickly with the advantages of large amounts of data，high precision，non-contact，all-weather work and so on. Taking the ancient tower in Shaanxi province as an example，the article applied three-dimensional laser scanning technology to obtain the deformation of the tower in the vertical direction，validated by measurements using conventional total station measurements and arrived at a conclusion that the three-dimensional laser scanning technology could apply in tilt measurement of ancient tower by comparing the results.

three-dimensional laser scanning technology；ancient tower；tilt measurement

1672-8262(2017)04-111-03

P234.4

B

2016—11—04

程會平(1986—)，女，碩士，工程師，現主要從事工程測量、地理信息系統建設、遙感影像解釋及實踐工作。