塔形構(gòu)筑物傾斜變形監(jiān)測(cè)新方法

王 娜，段龍飛，徐衛(wèi)東，王志一

(1. 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；3. 北京九碧木測(cè)信科技有限公司，北京 100085)

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)手段主要是基于GPS、全站儀利用近景攝影測(cè)量等方法對(duì)重要點(diǎn)位進(jìn)行觀測(cè)。然而，這種觀測(cè)手段的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有限，無法對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)，并且在地形復(fù)雜區(qū)域布設(shè)控制點(diǎn)困難，外業(yè)工作量大，成果獲取周期長(zhǎng)，大大影響了監(jiān)測(cè)效率。目前，高聳塔形構(gòu)筑物的傳統(tǒng)觀測(cè)方法有：全站儀觀測(cè)法和GPS高精度觀測(cè)法[1]。文獻(xiàn)[2]采用差異沉降法推算主體傾斜，精度較低，需要積累基礎(chǔ)差異沉降數(shù)據(jù)，對(duì)于一些沒有積累沉降數(shù)據(jù)的構(gòu)筑物并不適用。文獻(xiàn)[3—5]采用全站儀觀測(cè)法計(jì)算構(gòu)筑物的傾斜量，但需要組成最佳觀測(cè)圖形才能保證觀測(cè)精度，對(duì)于高聳塔形構(gòu)筑物其監(jiān)測(cè)點(diǎn)也不易施設(shè)，因此其應(yīng)用有一定的局限性。GPS定位技術(shù)檢測(cè)法易用于可攀登的民用構(gòu)筑物傾斜變形觀測(cè)。文獻(xiàn)[6]提出了平面擬合的高程建筑物傾斜觀測(cè)方法，觀測(cè)手段是基于傳統(tǒng)的前方交會(huì)。也有將地面三維激光掃描儀引入變形監(jiān)測(cè)中的，如文獻(xiàn)[7]分析了地面三維激光掃描儀技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理流程。

由于地基土的物理力學(xué)性質(zhì)而出現(xiàn)的不均勻性，以及其他環(huán)境因素(風(fēng)荷、日照輻射等)的影響，都將導(dǎo)致高聳建筑物產(chǎn)生偏離垂直軸線的偏差[8]。因此，高聳塔形構(gòu)筑物傾斜觀測(cè)的關(guān)鍵是測(cè)定構(gòu)筑物頂部中心點(diǎn)相對(duì)于底部中心點(diǎn)的位移矢量[9]。電廠內(nèi)的塔形構(gòu)筑物(如煙囪、水塔等)常常位于復(fù)雜密集的各類構(gòu)筑物之中，并且塔形構(gòu)筑物一般較常規(guī)構(gòu)筑物高，其塔頂及塔體外部不易攀登。因此大部分常規(guī)傾斜觀測(cè)手段要么觀測(cè)條件受限，要么精度較低且只能間接地反映被測(cè)物體的傾斜數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在的高新技術(shù)大大改變了數(shù)據(jù)的獲取方式，并且還在繼續(xù)改變著[10]。當(dāng)人們體驗(yàn)了三維化的動(dòng)態(tài)導(dǎo)航和身臨其境的可視化效果之后，將更加習(xí)慣和期待使用三維方式展示目標(biāo)物體的特征信息[11]。伴隨著靜態(tài)激光掃描儀測(cè)距定位精度的提高，用它來代替全站儀作為數(shù)據(jù)獲取手段已經(jīng)成為趨勢(shì)。有國(guó)外測(cè)量學(xué)者曾使用1″精度的全站儀和三維激光掃描儀進(jìn)行過對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了兩種測(cè)量方式的結(jié)果基本沒有差別[12-13]。傳統(tǒng)方法對(duì)塔形構(gòu)筑物的觀測(cè)是單點(diǎn)觀測(cè)，無法采用三維的方式描述構(gòu)筑物的整體變形。本文通過掃描散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，推算和驗(yàn)證了三維激光掃描儀應(yīng)用于高聳塔形構(gòu)筑物傾斜量計(jì)算的可行性，并得出高聳塔形構(gòu)筑物的傾斜變化情況，最后實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)傾斜量計(jì)算的一鍵式成果輸出。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)中心提取方法

1.1 中心點(diǎn)提取

本文通過提取不同高度處離散點(diǎn)的中心來反映構(gòu)筑物的水平位移量。

離散點(diǎn)滿足共線方程

x2+y2-2ax-2by+a2+b2=r2

(1)

式中，中心半徑參數(shù)分別為

則有

離散點(diǎn)平方和為

(2)

約束條件為Qa,b,c最小。

則可得出

1.2 解算空間直線方程

中心點(diǎn)滿足方程

Ax+By+Cz+D=0 (C≠0)

(3)

約束條件為

其中

即

(4)

即

(5)

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地選取

選取能見度較好的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，本文選擇兩臺(tái)脈沖式三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)備的具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 掃描設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

2.2 傳統(tǒng)觀測(cè)方法計(jì)算

采用傳統(tǒng)全站儀觀測(cè)方法，獲取塔形構(gòu)筑物的傾斜觀測(cè)結(jié)果見表2。

2.3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的傾斜量計(jì)算

以基準(zhǔn)面中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，將不同高度的中心點(diǎn)投影至基準(zhǔn)面的距離記為偏移量，偏移量與兩點(diǎn)之間高差的比值為傾斜率。繪制偏移量和傾斜率，如圖1—圖2所示。

拓普康中密度掃描數(shù)據(jù)在高程為87.9 m處的偏移量較大，且脫離了數(shù)據(jù)整體的變化趨勢(shì)，認(rèn)為此點(diǎn)為噪聲點(diǎn)。87.9 m處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

表2 某構(gòu)筑物傾斜觀測(cè)成果

點(diǎn)沿軸線方向的空間直線，如圖4—圖5所示。

進(jìn)而得出構(gòu)筑物傾斜觀測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，見表3。

Topcon中密度掃描數(shù)據(jù)和Riegl高密度掃描數(shù)據(jù)的結(jié)果可靠性更高，符合前文線性分析的結(jié)果。兩者的觀測(cè)誤差分別為0.001°和0.005°，每千米的誤差偏移量分別為0.017和0.087 m。

表3 冷卻塔傾斜率整體計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

本文以三維激光散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，提出了一種適合于快速計(jì)算高聳塔形構(gòu)筑物傾斜量結(jié)果及其分布規(guī)律的計(jì)算方法。首先掃描獲取塔形構(gòu)筑物的外表面激光散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立塔形構(gòu)筑物的表面模型，生成構(gòu)筑物中心沿軸線方向的排列數(shù)據(jù)，得到可靠性最優(yōu)的軸線分布數(shù)據(jù)，從而得出塔形構(gòu)筑物空間上的偏移量和傾斜率。通過分析得出基于激光散亂點(diǎn)云的塔形構(gòu)筑物中心點(diǎn)沿軸線的傾斜結(jié)果與傳統(tǒng)的極坐標(biāo)觀測(cè)方法觀測(cè)的結(jié)果的角度誤差為0.005°和0.001°，傾斜量誤差為：0.000 05和0.000 1 m，數(shù)據(jù)結(jié)果可靠性較強(qiáng)。本文提出的計(jì)算方法簡(jiǎn)單快速且精度較高，不僅改進(jìn)了傳統(tǒng)觀測(cè)方法的局限性和煩瑣性，而且可以獲得構(gòu)筑物整體和局部的偏移量變化特征，為塔形構(gòu)筑物的施工、維修和重建提供了基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)，在很大程度上提高了數(shù)據(jù)采集和處理的效率。