三維激光掃描儀對古建筑的變形監測

焦琪琳　王瀚　李思遠　魏歌頌　柳君妍

【摘要】與傳統測量技術相比，三維激光掃描技術具有非接觸性、速度快、密度高、精度高、穿透性強、自動化等特點。這種測量方法使得對建筑物的變形監測工作更簡化，更易控制。簡要介紹了三維激光掃描儀的工作原理，建筑物變形監測的內容和方法，以及數據的采集和處理。

【關鍵詞】三維激光掃描技術古建筑變形監測點云

1? 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀一般分為脈沖式、相位差式和三角測距式三維激光掃描儀，應用最為廣泛的是脈沖式三維激光掃描儀。三維激光掃描系統主要分為激光測距和激光掃描系統，利用激光測距原理，通過掃描儀發射激光和脈沖在物體之間的往返時間來進行測距，對物體進行掃描，獲取被掃描物體上大量點的三維坐標信息和掃描點的反射強度，最終對獲取的所有坐標數據進行處理，得到點云數據，利用點云進行被測建筑物的三維建模，并對其進行變形分析。

掃描儀發射激光束，遇到被掃描物體后返回接收器，以此獲取與被測點p之間的觀測距離S，編碼器同步測量每條光束橫向角度α和縱向角度θ。掃描儀一般是以自身的坐標系，X軸在橫向掃描面內，Y軸與X軸垂直并且在同一平面內，Z軸與X軸Y軸相互垂直（如圖1）[1]。

由此可得被測目標點的坐標公式：

X=S×cos^θcos^α

Y=S×cos^θcos^α

Z=S×sin^θ

2? 數據的采集

在數據采集之前需要用RTK測定多個控制點，用于架設測站。對古建筑進行數據采集，需要根據其周圍具體的情況設置多個測站點、多個機位，以避免測量的數據不完整。設置測站的多少要依據古建筑的大小、形狀、位置來確定，為了避免數據處理時點云的誤差太大，要保證多個測站點對靶標的測量，這樣很大程度的減少誤差。測站點的距離設置適中，距離越遠精度越差。在確保了精度的情況下，對古建筑的變形監測中我們主要需要獲取的是變形數據，就是不同時間段的靶標的不同的三維坐標數據，根據靶標的數據把多的測站點的測量數據相聯系在一起，形成一個整體，對比不同時間段的數據獲取變形數據。數據采集需要采集的數據主要有標靶的三維坐標、建筑物的點云數據和影像數據。

3? 數據的處理

通過三維激光掃描技術獲取的點云數據量非常龐大，通過對點云的處理使其能轉換成三維模型。由于掃描儀所使用的坐標系是以自身測站位置為坐標原點的獨立坐標系，而大型建筑物往往是多個測站進行掃描，因此由掃描儀獲取的多個點云圖的點云坐標并非處于同一個坐標系下，需要轉換成統一的坐標，以便于數據的處理。

3.1? 點云去噪。因為數據采集時會包含一些無法預知的情況，比如掃描現場中有人員經過，有小鳥飛過，或者由于天氣原因，空中有紙片、灰塵等，或者因為儀器本身存在的誤差出現的高于房屋的點以及在地面以下的點，會導致觀測的數據出現掃描對象表面以外的雜點，導致數據結果的不理想。因此要去除這些噪聲點，以保證之后三維建模的精度。可利用Trimble Realworks處理軟件進行點云去噪，去除與被掃描物體無關的噪聲點。

3.2? 點云拼接。使用三維激光掃描儀對古建筑物進行掃描的時候，一般要在建筑物的四周設站，使用掃描儀在多個測站進行掃描，以便得到完整全面的建筑物三維信息，三維激光掃描儀得到的多個測站的數據信息只能得到其掃描范圍內的信息，整個建筑物的完整數據需要對多個站點的點云數據進行拼接。當被掃描物體太大時，視線的限制或者掃描現場過于復雜等各種原因的影響，可能會出現某一站作業不能完整被掃描場地或者物體的全面信息，因此需要從不同的角度、多個測站掃描的方法才能獲得全面的信息，需將點云數據統一坐標系后進行點云拼接。

3.3? 三維模型的建立。以上獲取并處理后的點云數據可通過AutoCAD或者其他建模軟件繪制建筑模型的平面圖、立面圖等，可以在計算機中構建出物體的三維模型，這些模型并沒有與實際物體相對應的紋理，即沒有色彩，只有物體的幾何坐標數據。

3.4? 貼紋理。貼紋理的目的是利用紋理色彩還原三維模型，使模型更為逼真。其原理就是使用實際拍攝的真彩色影像把紋理色彩映射在三維模型上，使三維模型更為貼合真實物體，從而依據模型進行多重分析，也可在其他可視化軟件比如3DMAX中導入三維立體模型。

4? 結束語

古建筑產生變形的原因是多種多樣的，其變形監測的目的在于確保建筑物能夠保持穩定結構，能夠對其存在的安全隱患作出及時的預測，采取有效的預防措施。目前三維激光掃描技術已經廣泛應用于變形監測，相比傳統的測量方法，它具有一系列的優越性，為大型古建筑監測保護工作提供了有力的技術手段。

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