建筑變形測量的技術應用分析

袁永東

【摘要】為了及時掌握建筑的變化情況和結構形態，要注重建筑的變形測量研究，傳統的單點測繪技術逐漸暴露出滯后性，為此要引入高精度、高效率的三維激光掃描技術，快速采集和獲取建筑物的三維點云信息，反映建筑物的表面特征，精準高效地完成建筑物的變形測量。

【關鍵詞】建筑;變形測量;三維激光掃描技術

傳統變形監測手法僅限于某一點的測量，且須設置多個監測點，進行長時間的變形監測，這種方法存在較大的局限性。為此本文重點探討更加高精度和高效率的三維激光掃描技術，精準高效地獲取地表建筑物的表面信息，并能夠從點、線、面等不同維度進行建筑物的變形測量和分析。

1、三維激光掃描建筑變形測量原理分析

三維激光掃描測量技術主要由掃描儀的激光器發射激光脈沖，依據脈沖由發射到返回的時間差，計算獲取掃描儀坐標原點至被測物體表面的距離，測量出激光脈沖發出時的水平掃描角度/垂直角度的觀測值。相關軟件主要采用Riscan Pro數據處理軟件，進行掃描儀控制、數據獲取及拼接、導入、導出處理等，生成高質量的點云數據，自動將點云數據轉換為多邊形，并將多邊形轉換為NURBS曲面，通過曲面分析、公差分析等不同方法，獲悉被測對象的點云變形監測狀況。

三維激光掃描測量的作業方法和流程主要包括以下內容：（1）獲取野外數據。要進行現場的踏勘，預先了解和把握被測區域、掃描對象的具體情況，合理確定掃描站點和控制點，獲取多個測站的三維點云信息，并運用公共標靶進行多測站掃描數據的拼接，形成完整的某一相同坐標系下的三維點云數據。在測量區域內構建測量控制網，測定若干控制點的平面位置和高程，布設專用的變形監測控制網，如：水平位移監測網、沉降監測網，進行野外數據的采集，在標靶中心高程測量的前提下，做好掃描前的數據準備，開展野外數據采集工作。（2）點云數據的預處理?？紤]到三維激光掃描技術獲取點云數據的龐大、雜亂特點，要對點云數據進行簡單的預處理，對于觀測數據表面以外的雜點要進行點云去噪處理，僅存留建筑物體表面的點，減少后續處理的工作量。還要進行點云拼接預處理，對于不夠完整的點云數據信息要將多站掃描坐標系下的點云數據統一到相同坐標系之下，完成點云完整性拼接處理。

在運用三維激光掃描測量技術的過程中，要進行被測建筑物體的變形基元提取，具體包括以下方面：（1）變形點基元的提取。采用三面角提取的方法，由建筑物的門、窗、屋檐三個平面相交得到的交點獲取變形點，并擬合各平面的平面方程。（2）變形線基元的提取。主要采用二面棱的方法提取被測建筑物的變形線，計算獲悉建筑物的傾斜位移情況。另外，要對不同時期獲取的多期點云數據進行變形分析，具體分析方法有：（1）點云和點云的直接對比分析。將不同時期相同坐標系下的點云數據直接求差，獲悉被測物體的變形狀況和數值。（2）點云和平面的對比分析。可以利用三維激光掃描技術提供被測對象表面高密度的三維信息，利用TLS點的高密度實現由點到面的變形分析。（3）面和面的對比分析。計算獲取不同時期相同平面的法向量，基于第一期平面數據的法向量前提，計算獲悉法向量的夾角，根據法向量的夾角是否為零判定該平面是否存在變形現象，當法向量夾角為零則表明該平面沒有變形，反之則存在變形。

2、三維激光掃描測量技術在建筑變形測量中的具體應用

某建筑為四柱三間三樓式的石構牌坊，通高為9.65m，在常年地基下沉、風雨侵蝕和人為破壞影響下，存在相對嚴重的整體/局部傾斜，為了準確全面反映建筑體的整體變形情況，要進行精準高效的傾斜測量，在距離建筑體60m外的地方布設三個基準點，附近布設4-6個變形觀測點，形成變形測量坐標框架。

要進行被測建筑物的首期變形測量，獲悉變形體初始狀態，計算各塊變形體的初始平面位置、標高、方向、姿態、長度等，要擬合一條直線作為變形量測的基準線，并由基準線和基準面構成變形坐標系，計算被測對象的重心位置，進行變形分析。

2.1 數據采集

采用NET05全站儀搭建獨立的平面控制網和高程控制網，運用三維激光掃描儀進行建筑物的原始點云數據獲取和三維形態重構，核心站的掃描分辨率為5mm/10m，主要進行建筑物的基礎不均勻沉降變形測量、石柱變形測量，并提取變形基元，計算變形參數。

2.2 數據的預處理

考慮到三維激光掃描技術變形測量過程中的諸多不可控因素，要對點云數據進行預處理，去除點云數據周邊的雜質點，刪除監測對象周邊的冗余點云，進行點云數據的抽稀處理，縮減點云的數據量，加快點云數據處理速度，并將多個測站的點云數據拼接至同一坐標系，使之成為完整的點云數據體系，確保點云數據處理分析的精度和速率。

2.3 數據變形分析

分期進行被測建筑物的3次變形測量，進行數據對比和變形分析，獲悉各分層的變形情況和趨勢。具體包括以下內容：（1）須彌座沉降及傾斜變形分析。通過繪制基座沉降圖分析可知，前后兩年的基座整體均勻沉降分別為0.4mm、2.7mm，主要是由于土質濕潤和機械施工所導致的，并且不同觀測點的沉降量存在一定的差異。（2）石柱傾斜分析。通過對被測建筑物的三期測量可知，不同石柱均存在一定程度的傾斜角和偏移量，傾斜變形最大的石柱為4.1mm。（3）檐樓和門枋傾斜分析。檐樓南北兩端的傾斜較為明顯，通過三維激光掃描變形觀測，可以計算得出觀測線與垂線夾角和傾斜方向，據觀測獲取如下數值：

由上可知，被測建筑物的總體狀態大體穩定，基座是產生建筑物變形的主要根源，因基座的不均勻沉降導致北部的基座頂部高出南面，基座最大沉降為3.3mm，平均下降2.7mm，沒有明顯的傾斜變形。

結語：

綜上所述，三維激光掃描技術體現出不可比擬的優勢特點，能夠較好地適用于建筑變形測量實踐之中，轉變傳統變形監測手段的局限性，依循相應的原理和流程，完成被測建筑的點云數據獲取、點云數據拼接和地理化等工作，高效精準地獲取被測建筑的變形狀況和趨勢。

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