三維激光掃描儀在建筑物變形監測中的應用

朱業來 山東至遠地理信息工程有限公司

劉艷亮 王 斌 山東瑞鑫地理信息工程有限公司

1 前言

國內外學者相繼對三維激光掃描技術進行了深入研究，同時也引起了人們對三維激光掃描儀在變形監測應用中的高度關注。這種近幾年才在工程還有中發展起來的新型測量儀器，可以對目標物體快速仿造出實體模型和各類地圖的實際數據，比如直線、曲面和體積，可以準確得到目標物體監測的大量數據點，因此成為測量科學技術領域的一個重大突破。本文在現有研究的基礎上，探究了三維激光掃描儀在建筑物變形領域中的應用，凸顯了三維激光掃描儀對建筑物變形監測的成果，并且已經通過工程實例得以證明。

日常工作中人們已知的傳統測量儀器主要包括全站儀和GPS，它們測量目標物體會得出二維圖形。而在技術快速發展的今天，數據化測量技術給人們帶來了巨大的好處，如三維激光掃描儀，它不僅改變了傳統測量技術的二維數據，而且直觀地顯示了目標物體的三維或三維效果圖，并且還會把變形區域用不同的顏色表示出來，真實還原目標物體[1]。給人的真實感是其他儀器無法實現的。在使用三維激光掃描儀對建筑物進行變形監測的時候，能夠完整全面的檢測到建筑各個區域的監測點，這從根本上克服了傳統測量儀器在建筑變形監測過程中必須采用離散點的局限。

2 三維激光掃描技術原理概述

三維激光掃描技術是一種新的測繪技術，是繼GPS技術之后測繪行業的又一重大創新。此外，它源于傳統的測量技術，集成了各種高精度傳感技術和高科技技能，是對傳統測繪技術的高度總結和綜合利用。

三維激光掃描儀的基本工作原理為：通過使用內置的脈沖發射器，對目標物體產生脈沖激光而實現檢測目的，借助于被探測目標的反射器技術和信號接收器，利用光的反射原理以及到儀器的折反時間，可以直觀地計算出被掃描物體與中心的距離。此外，還可以同時測量每個脈沖激光的縱向和橫向掃描方向之間的角度，然后通過應用軟件進行計算和分析，便能知道監測物的三維空間位置坐標，進而形成了三維空間模型以及三維空間坐標。

3 三維激光掃描儀的應用領域

隨著時間的推移，國內3D技術不斷成熟，目前在建筑工程領域中的應用已經非常嫻熟了。而三維激光掃描儀便是其中的技術代表，到目前為止，三維激光掃描儀技術已經在工程行業、結構行業、娛樂行業、采礦行業還有建筑行業中有了一定的使用范疇，測量的內容主要分為：道路測量、地質測量、橋梁測量、建筑物的變形等類型的相關測量；對結構體的尺寸、面積、坐標等這些都屬于結構測量，比如對線路、管道實施改建時的相關測量，又或者對相關機械設備進行檢測也都屬于結構測量；采礦方面是對某些露天的地方，井下危險的地方用三維激光掃描儀進行掃描，像溶洞之類的；在娛樂方面則側重于制作3D電影、研發3D 游戲以及一些虛構的設計，諸如博物館等。

4 三維激光掃描儀在建筑物變形監測中優勢與應用現狀

4.1 應用于建筑物變形監測的優勢

變形監測技術的特點是精度高、即時性和等精度觀測，而三維激光掃描技術的特征剛好與之吻和，其在工作中，不需要預先鋪設監測點、不需要和被監測物體進行直接接觸，且有極快的監測速度，高密度的點云數據，可以更精確地顯現出被監測物體的變形走向等。

4.2 無需埋設監測點

利用三維激光掃描技術對監測物體進行測量時，收到的點云信息面積較大、密度較高，可實現利用變形物體的表面、形體結構等特征代替設定點進行監測（比如建筑物、長期存在于地面的物體或者巖石結構的表面）。

4.3 監測速度快

激光的取樣點速度每秒可達幾千乃至幾萬，是傳統測量方法無法與之相比的，能極大地提高監測范圍內的數據收集效率。

4.4 無接觸

三維激光掃描儀進行測量時，并不需要和被檢測物質進行直接接觸，僅利用主動發出的激光和回波的信息便可以直觀地獲取物體表面的三維坐標位置，因此能夠克服在高陡危巖、危險性較大的滑坡變形體時，因不能準確到達所布點的地方，而無法收集到測量信息的問題，從而有效地保障了工作人員的安全性。

4.5 整體監測

監測數據擁有密度較高的面式收集、多方位的觀測點，使用監測數據可以斷定建筑物變形結構體的完整表面狀況，仿造出與建筑物結構體相同的三維模型，以供工作人員分件位移的走向，這一技術有效規避了傳統監測方法測量的變形結果中，表述出的局部與片面性方面的弱點。

4.6 大數據采樣

對監測物體使用三維激光掃描技術進行測量時，可快速得到目標物體大量的空間信息，三維激光掃描技術可以快速獲取被監測目標的三維空間信息數據，而且能夠對被監測物體的三維空間信息進行動態檢測，所以，其被廣泛應用于建筑物的變形監測工作中。

4.7 動態實時性

三維激光掃描內控系統可以獨立傳輸激光信號，并對反射棱鏡發回的信號進行分析，從而獲得被檢測目標的數據信息。這種測量方法不會受到外部空氣壓力和陽光等條件的影響，在一天中的任何時間段都可以進行實時監測。

4.8 穿透性

激光本來就具備一定水平的穿透力，能夠直接穿過一些生長不太嚴密的植被，順利到達被監測物體的表面，獲得大量的點云數據只需要幾分鐘，而且還能夠精準地描繪出被監測物體的各個層面的幾何信息。

4.9 應用現狀

近年來，中國國內的科學研究人員與技術生產工作者運用三維激光掃描方法，在形變檢測領域中進行了大量科研與生產實踐，內容涵蓋了多個產業應用領域，如建筑、鐵路隧道、橋梁、礦井、崩滑地質災害等。這些研究成果和應用重點主要集中在檢測方法、信息處理、三維造型、結果獲取與大數據分析等方面，該技術的精度及其在應用中所要求或實現的精確度，都是實際工程中必須面臨的重要問題。

5 三維激光掃描儀在建筑物變形監測中的相關問題

5.1 監測成果“精度”

三維激光掃描技術的高精度出現在很多學術論文中，雖然它表面上可以對監測物體做到高精度監測，但其實使用三維激光掃描技術進行測量時，必須在特定的條件支持下才可以實施，就好像不能分開評價它的技術特點和優勢一樣，其重點針對的是監測物體表面模型的完整性。由于激光掃描采樣技術點的距離極小，從而得到的點云密度非常高，而且還不斷向真實物體的表面逼近，它擁有一體性的觀點，被人們認為檢測到的準確度非常高。

把它與鄰近點間距的精度相比較，哪怕人們通過許多試驗證實它的準確度超過了毫米級別，但在實際應用中，許多不確定因素仍會對三維激光掃描儀產生一定影響，導致監測結果的精度受限于其自身的精度、周圍復雜環境的限制，包括它自身的測角精度、測距精度、測距間距的遠近、被監測物體表面不平整、激光信號的反射強度、效率、入射的角度等因素，都會導致監測結果的不準確，甚至累計的單點誤差值達到厘米級別甚至更低，所以達不到對建筑物變形的精密監測要求。監測工作范圍較廣，卻因為監測對象和專業部門不同，其主要監測的目的也會不一樣，對其監測結果的準精度、認識程度與要求也當然不同[2]。不管是出于哪種監測目的，或者綜合分析、補充高精度傳統單點的監測結果，其準確度以及能否達到工程監測的要求都顯得尤為重要。在實際工作中，要著重關注提高準確度的問題，并通過相應的方法予以補償，從而真正達到工程監測的需求。

5.2 優選合適的掃描儀

監測精度一般會依據被監測物體的草皮掩蓋率、地表傾斜度、重要性與損毀程度和穩定性狀況來判斷，并根據現場的地質要求和監測范圍，選擇主要技術指標較好的儀器，盡可能選擇較短的距離進行測量，對面積比較大的地方必須分開進行。

各階段監測的掃描儀與標準布置的計劃目標執行一致以實現標準的統一，將掃描儀架設在固定的觀測地點，盡可能讓激光垂直投射到目標物體上，保持一致的重疊度、測量距度以及采樣點之間的間距。利用監測目標物體的突出特征，對代替了單個變形監測點的區域進行更精細的掃描，以此實現和擬合精確度同樣高的目的。

5.3 點云數據利用問題

三維激光掃描儀將發射的激光投射到物體上，然后將其反射回來，以此獲得大量離散點，從而產生原始點的云數據，包括一些不均衡、噪聲點等冗余信號，對監測工作及后續監測信號提取和分析沒有實用價值，因此必須作出正確的歸類取舍。

監測與地形等其他測量工作不一樣，建議先將數據分類再應用到點云數據中，大概分為：草皮及異常點、目標物體表現點和地物體特征點等幾類；草皮及異常點這類數據與監測工作毫不相關，可以直接除去；目標物體地表表面點、地表表面固定物（如建筑物）本身就持有特征性能的點或者對監測效率有價值的點，這些都可用作點、線、面的處理成果或提供的信息中，應該留存。

5.4 技術標準缺失

三維激光掃描技術不僅改變了傳統監測技術一定程度上的結構性質，還廣泛應用到各種監測領域中，特別是對于道路高陡、危險的地方，以及工作人員不能到達的容易出現崩滑的危險地段，不能有效定向布控監測點，或在臨界區域不能順利開展應急工作的以及工作進行中迫切需要統一技術指標、確定工作方法和精度要求的，一些控制質量的管理統一規范體系[3]。新技術標準因為使用范圍廣而突顯出不少的新問題，因此需要迅速形成符合最新技術標準的質量監測規程，以及規范性技術標準系統，以保證新技術標準執行管之有度、控之有方，并做到對該新技術標準監測有規可循、經濟合理，以保證在工程建設與運營維持方面起到關鍵性的作用。

6 三維激光掃描儀在建筑物變形監測應用中的實際案例分析

單點定位在實際使用過程中的準確度并不高，它只符合一般建筑工程的地質測量要求。然而，對于建筑物變形監測與要求的精度仍有一定的差異。利用三維激光掃描技術，可以快速獲取建筑結構掃描結果的高密度點云數據，并且形成模型，因為建筑物本來就是一個整體，所以利用點云數據模型，能夠獲得建筑的特征線，并通過這段特征線判斷建筑物有無發生改變。

6.1 布置監測點并采集數據

在采空區上方有一個正在創建的煤化工施工項目，為更好地控制焦爐的變形狀態，因此設置了八個獨立的變形監測點，確定其是否符合建設的標準。選取GX200 掃描儀完成數據收集工作，在這項工作過程中，需要在每個監測點都設置掃描儀，并對掃描儀視線范圍內的建筑物進行掃描。要得到更詳細、全面的焦爐內部結構數據，首選40mm×40mm分辨率開始進行掃描。在掃描過程中，由于每個數據都是獨立存在的，因此有必要最大限度地擴大兩個站點掃描內容的重疊，可以方便后期云點的拼接。

6.2 數據處理

要使用Trimble Real Works Survey Advanced 處理軟件，處理所采集到的點云數據。因為二次數據掃描過程都是獨立完成的，所以對采集到的數據必須進行坐標匹配，當點云匹配程序完成后，還要繼續實行去噪處理。利用上述數據處理，就能夠得到可靠完整的點云數據。焦爐本身的結構十分復雜而且體型又較大，所以如果通過焦爐數據對建筑物結構進行變形分析時，就會造成效率變低、而數據的處理速度很慢，甚至出現數量很多的情況。又由于焦爐結構所采用的都是鋼體，局部和總體的變化效果都是相同的，所以，只要對焦爐特征明顯部分的變化加以提取和分解，就能夠獲得更高效率的準確結論。

6.3 結果分析

通過對精確計算得出的變形傾斜的數值加以分析，便能夠明確發現如果變形傾斜具有統一性，所計算的平均數值便能夠視為建筑物的傾斜變化量，該變化量在數值體現上可能是正數也可能是負數。如果數值的大小不一樣，有必要從誤差理論的角度分析建筑物，討論其結構是否出現變形。

如果從錯誤理論的角度來分析，可以發現是偶然誤差，換句話說，偏差的符號和大小是偶然的。如果從單項偏差的視角分析，每列中的偏差符號和大小沒有規則可循，不過，相對大量偏差總數據而言，也可以在一定程度上找到數據的規律。以此得出結論，建筑物沒有發生變形、傾斜的情況，而變形偏斜值也是因為觀測誤差帶來的。

7 結束語

三維激光掃描技術的領先，完全解決了傳統測量方法對建筑物變形固定式監測的片面性，可以在很短的時間內，利用掃描技術，獲得足夠準確的點云數據，從而搞定了建筑物變形、傾斜監測的基本要求。而且還對點云數據實行了數據分類處理，使建筑物的局部乃至整個構體的相關變形數據都可直接顯現出來。不過，如果要對時間段不同的建筑物重新建立模型同時比較研究，就必須建立精確度高的三維模型。這項技術在這一方面還有很多上升空間。將傳統監測技巧和三維激光掃描技術融入實際工作中，在發揮它們各自優點的同時還可以創造更好的效果。