應用三維激光掃描技術監測高層建筑整體變形

桂芳茹

(四川建筑職業技術學院 四川德陽 618000)

0 引言

三維激光掃描技術是近年來國際上出現的一種應用效果較佳的高新技術，該技術既能夠掃描復雜的作業空間和現場環境，又能夠完整采集各類非標準、不規則、復雜、大型的實景或者實體三維數據，并且還可以在短時間之內快速重構出各種制圖數據(如空間、線、體、面等)以及三維模型[1]。從目前來看，三維激光掃描技術在地下礦產勘測、考古測量存檔、考古測量建檔、建筑物三維重建等方面的應用前景較為廣泛，被大量應用于各種事故調查、歷史古跡恢復、工程測量等領域中[2]，但鮮有應用于高層建筑整體變形監測。本文就高層建筑整體變形監測中三維激光掃描技術的應用進行探討。

1 三維激光掃描系統的原理

三維激光掃描系統是一種新型三維坐標測量儀器，集成多種高新技術，測量方式為非接觸式高速激光，復雜物體表面、地形表面均可采用點云形式來進行獲取。其主要包括儀器內部校正系統、激光測距系統、CCD 數字攝影系統、支架系統、掃描系統等[3]。

從目前來看，TOF 脈沖測距法是三維激光掃描系統的主要測距方法，如圖 1 所示。測距觀測值S可通過脈沖測距法獲得，縱向掃描角度觀測值θ和橫向掃描角度觀測值α可通過精密時鐘控制編碼器來予以同步測量。三維激光掃描系統通常都采用內部坐標系統來進行掃描測量[3]，其中，橫向掃描面內有X軸、Y軸，X軸與Y軸垂直，而Z軸不在橫向掃描面內，但垂直于橫向掃描面。通過這樣的方式，坐標(Xs，Ys，Zs)的計算公式如公式(1)所示：

(1)

圖1 采用脈沖測距法的三維激光點坐標

2 變形監測中三維激光掃描技術的應用現狀

通過多年的發展，三維激光掃描技術已經日臻成熟，目前已經基本解決了三維激光掃描技術的硬件技術問題，并且還出現了大量三維激光掃描數據后處理軟件、三維激光掃描硬件系統，應用于多個領域。

國內學者在變形監測中也利用了三維激光掃描技術，例如：羅德安等人[4]對變形監測中三維激光掃描技術的應用價值、技術優勢、技術弊端、可行性等進行了研究，認為應該大力開展相應的整體形變監測研究。長安大學對黃河小浪底樞紐工程2號滑坡體采用三維激光掃描技術來進行變形監測，掃描設備采用地面三維激光掃描儀(型號為徠卡ScanStation2 )。趙群等人[5]對北京市國家體育館大跨度鋼屋架滑移過程中的變形情況采用了三維激光掃描技術進行監測。總的來說，三維激光掃描技術大多應用于監測基坑、構筑物、滑坡等，雖然目前鮮有應用于高層建筑整體變形監測案例，但不能就此忽視，高層建筑整體變形監測中三維激光掃描技術的應用。

3 高層建筑整體變形監測中三維激光掃描系統的常見誤差分析

基于誤差產生理論來看，三維激光掃描系統的測量誤差可分為兩大類，分別是偶然誤差與系統誤差。偶然誤差主要是指測量過程中所出現的不可預期的隨機性誤差，而系統誤差主要是指測量過程中所出現的掃描點坐標偏差。究其原因，主要為3大類，環境條件影響產生的誤差(空氣、氣壓、溫度等影響)；掃描目標相關誤差(物體表面粗糙度、光束交角等影響)、儀器系統誤差(測角誤差、測距誤差等)。本文以高層建筑整體變形監測中三維激光掃描系統的幾種常見誤差進行分析。

(1)激光測距影響

在各個處理環節中，激光測距信號或多或少均會出現一些誤差，但主要誤差為不確定測距間隔而導致出現的誤差，以及掃描儀脈沖計時的系統誤差。

(2)掃描角影響

掃描角會導致出現掃描電機非均勻轉動誤差、掃描鏡轉動震動誤差以及掃描鏡的鏡面平面角誤差等。

(3)外界環境條件影響

空氣、氣壓、溫度等因素均會影響到高層建筑整體變形監測的精度，具體體現在：空氣中激光的傳播方向，掃描儀表受到風的振動影響，儀器受到溫度變化的細微影響等。

4 實例分析

4.1 工程概況

某小區建設在采空區上方，房屋與工作面井上下對照如圖2所示，工作面實際走向開采長度為 325m，開采深度為 450m～500 m，平均煤層傾角為10°，平均采厚為2.6 m，房屋A、B、C為10層高的高層建筑，其中，房屋A位于采空區外邊緣，房屋B位于采空區中部，房屋C位于采空區內邊緣。

圖2 房屋與工作面井上下對照圖

4.2 測量方法

測量儀器選擇Trimble GX200 三維激光掃描儀，掃描工作面開采前后房屋A、B、C的點云，以此來獲得其移動變形情況。高層建筑的移動變形情況包括兩大類，即相對變形與絕對變形。相對變形是指房屋A、B、C基于某一點開采前后墻體相對的傾斜、拉伸或壓縮情況；絕對變形是指房屋A、B、C相對于某一特征點或者某一坐標系開采前后的位移情況。

由于同名特征點在開采前后往往會出現復雜的自動識別算法，所以，本文對同名特征點的絕對變形量采用手動量取的方式。值得注意的是，為了最大限度地降低手動量取的誤差，本文采取多次量取、最終取平均值的方法，并且還對特征點區的點云密度進一步加大。特征點選擇為房屋角點，房屋 A、B、C 原始特征點移動數據則通過測量對應邊絕對長度及對應點相對移動變形來獲取。房屋 A、B、C 特征點移動變形量如表1所示。

樞紐及防洪配套工程年運行費按投資2.5%計，后續灌區配套工程按其投資4%計，防洪、養殖等配套工程按其投資5%計［2］，則正常年份年運行費32.77萬元。

表1 房屋A、B、C特征點移動變形量

說明：UX、UY、W、l0、l1為特征點量取數據，量取3次；ε、i為間接計算數據。

4.3 精度評定

各移動量的讀取中誤差mdk為:

(2)

基于公式(1-2)計算出來的房屋 A、B、C各移動變形量中誤差如表2所示。其中，相同的讀取中誤差md為：

(3)

表2 房屋A、B、C各移動變形量中誤差

說明：UX、UY、W、l0、l1為等精度觀測，量取中誤差同為md；ε、i為間接計算數據，按照誤差傳播理論計算。

可通過間接計算的方式來獲取傾斜值及水平變形值，其計算及精度評定公式如下。

水平變形值ε為：

(4)

水平變形誤差傳播計算公式為：

(5)

(6)

其中，水平變形中誤差mε為：

(7)

傾斜值i的計算公式為：

(8)

傾斜誤差傳播計算公式為：

(9)

(10)

其中，傾斜中誤差mi為：

(11)

4.4 移動變形規律分析

(1)房屋A出現一定程度的下沉現象，下沉深度為332mm～384mm，且建筑物整體向西南移動，向西移動292mm，向南移動290mm，平均矢量位移為530mm。與此同時，房屋A沒有出現較大幅度的水平變形，水平變形最大值為0.8mm/m。此外，房屋A向西南整體傾斜，最大傾斜度為7.5mm/m。

(2)房屋B出現了嚴重的下沉現象，下沉深度為1692mm～1752mm，且建筑物向西移動539mm，向南移動247mm，平均矢量位移為1793mm。與此同時，房屋B沒有出現較大幅度的水平變形，水平變形最大值為-1.5mm/m；房屋B的最大傾斜度為6.9mm/m。

(3)房屋C出現了嚴重的下沉現象，下沉深度為1995mm～2220mm，且建筑物向西移動116mm，向北移動510mm，平均矢量位移為2063mm。與此同時，房屋C沒有出現較大幅度的水平變形，最大拉伸變形為2.9mm/m，最大壓縮變形為2.7mm/m。此外，房屋C向西北整體傾斜，最大傾斜度為21.5mm/m。

(4)基于采空區中心與高層建筑之間的位置關系來看，高層建筑若與采空區中心之間的距離越近，那么高層建筑整體下沉深度就越大；高層建筑若與采空區中心之間的距離越遠，那么高層建筑整體下沉深度就越小。高層建筑整體都會存在向采空區中心位置移動的趨勢，且位于采空區內部邊緣的高層建筑和位于采空區中部的高層建筑的移動較大。高層建筑整體都會存在著向采空區中心位置傾斜的趨勢，且位于采空區內部邊緣的高層建筑的傾斜較大。通過實地到房屋A、B、C進行調查，發現房屋A、B、C并未出現較為明顯的破壞情況，這與掃描結果顯示房屋水平變形較小的結論相同。

5 結論

(1)總的來說，三維激光掃描技術大多應用于監測基坑、構筑物、滑坡等，雖然鮮有應用于高層建筑整體變形監測實例，但不能就此否定，高層建筑整體變形監測中三維激光掃描技術的應用具有一定的實踐工程意義。

(2)利用三維激光掃描儀能夠有效提取房屋特征點，可以獲得其移動變形情況，而且實測表明，所測得的房屋移動變形值精度較高，完全符合地表沉陷監測的相應要求。

[1] Abellán A.,Jaboyedoff M.,Oppikofer T.,Vilaplana J.M..Detection of millimetric deformation using a terrestrial laser scanner: experiment and application to a rockfall event[J].Natural Hazards and Earth System Science .2009,56 (93):1117-1122.

[2] BITELLI G,DUBBINI M,ZANUTTA A.Terrestrial Laser Scanning and Digital Photogrammetry Techniques to Monitor Landslides Bodies.International Archives of Photogrammetry[J].Remote Sensing and Spatial Information Sciences .2014,65 (12):2321-2328.

[3] O.Monserrat,M Crosetto.Deformation measurement using terrestrial laser scanning data and least squares 3D surface matching[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing.2007，56(11):1222-1232.

[4] 羅德安,朱光,陸立,等.基于三維激光影像掃描技術的整體變形監測[J].測繪通報,2005，14(7):40-42.

[5] 趙群,劉鍵,陳金科.應用激光掃描法對國家體育館大跨度鋼屋架滑移過程變形監測與分析[J].測繪科學,2007,32(3):110-111.