三維激光掃描技術在墻面傾斜度測量中的應用研究

相祥,錢棟,尹純龍,相虎,張顯如

(1.江蘇蘇州地質工程勘察院,江蘇 蘇州 215129; 2.昆山市文杰市政工程有限公司,江蘇 蘇州 215300)

0 引 言

高層或高聳建筑物,如高層建筑物、公共基礎設施等,由于受到當時設計缺陷、建造材料不夠堅固耐用或者地下水過度開采、地震、黃土濕陷等綜合因素影響,大都產生一定傾斜,當傾斜達到一定程度時,給人民生命財產造成較大威脅,因此必須對其進行傾斜觀測或不均勻沉降觀測。傾斜度是衡量施工技術質量和后期建筑物安全維護的重要指標,如何快速準確測量塔類建筑物傾斜度一直都是變形觀測領域的研究熱點。傳統的建筑物傾斜度測量以經緯儀垂直投影法和全站儀交會法為主,這兩種方法都僅僅對建筑物的某些特征角點或者特征部位進行測量,通過特征角度或者部位來反映建筑物整體傾斜量,存在較大的偶然性和誤差,此外常規方法還存在外業時間長,觀測方法復雜,內業計算煩瑣等方面的局限性[1-2]。

隨著三維激光掃描技術的不斷成熟,其具有快速、精準、完整、自動獲取等優點,為建筑物外立面測量工作提供了一種更新、更快、更便捷的測量作業方式,通過該技術對建筑物進行無接觸掃描獲得目標建筑物點云數據,再通過點云數據預處理和模型重建即可獲得建筑物立面圖,很好地彌補了傳統測繪方法獲取的單點數據不夠直觀和完整方面的不足。目前應用三維激光掃描技術做建筑物傾斜監測時,主要還是橫斷面提取中心軸,通過中心軸線與基準面傾斜角來計算整體傾斜量,但是這種方法對建筑物要求較高,如果建筑物上附屬設施較多,必然會影響中心線的擬合精度,進而影響傾斜角計算結果。本文提出一種墻面點云擬合的建筑物傾斜監測數據處理方案,并以某工程案例為研究對象,應用三維激光掃描技術,采集建筑物點云數據進行傾斜量計算,最后將計算結果與傳統監測傾斜量進行對比,計算結果顯示,該處理方法對建筑物傾斜監測具有可行性和工程實際意義[3]。

1 相關理論基礎

1.1 三維激光掃描理論基礎

三維激光掃描系統坐標原點位于掃描儀相位中心,X軸在橫向掃描面內,Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直。首先發射器發出一個激光脈沖信號,內部控制系統旋轉反射鏡,激光脈沖經物體表面漫反射后,沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器,內部計算系統通過脈沖發出和接收時間,得到目標點到相位中心距離S,再結合脈沖發出時掃描儀水平和豎直方向旋轉角α、θ,最后通過坐標正算和校正,獲得P點坐標[4],坐標原理如圖1所示:

圖1 三維激光掃描測量點坐標原理

1.2 擬合中心軸法計算原理

圖2 建筑物偏差計算示意圖

2 測區概況及點云數據處理

2.1 測區概況

待測目標為位于某市主城區的某一老式建筑樓,該建筑樓建于20世紀80年代末,距今已有40余年歷史,建筑物長 54 m,寬 12.5 m,高 20 m,共有7層。近期持續強降水外加建筑物 100 m處有一大型地上工程,可能對建筑物結構產生一定影響。因此需要對建筑物進行測繪工作,以便為改造修繕提供完整、可靠的數據基礎,如形變度超過相關規范,需提前做好預警和住戶搬離工作。在利用常規測量手段進行監測任務時發現建筑物整體較高、附屬物較多,加上周圍人員活動頻繁,因此傳統測量手段測量施工難度較大,因此采用三維激光掃描技術來進行墻面傾斜度測量工作。

2.2 外業數據采集及預處理

本文基于三維激光掃描進行墻面傾斜度分析,整體流程主要包括外業數據采集、內業數據處理和傾斜度分析,外業數據采集包括掃描路線設計、靶標布設、三維激光掃描儀架設、掃描參數設置、目標區域點云數據采集等;內業數據預處理包括點云數據配準和點云濾波;傾斜度分析主要包括墻體點云分割、墻面點云數據擬合和傾斜角測量等。整體技術流程如圖3所示:

圖3 整體技術流程

建筑物共7層整體較高,墻面頂部和底部以及附屬物(空調、管道、窗戶等)遮擋部分都是掃描盲區,極易造成點云數據缺失,為保證外業采集人員和儀器安全、以及點云數據的完整性,減少不必要的補測和重復測量,外業數據采集時采用閉合“環形”路線采集方案,并且掃描儀盡量進行高低、遠近交錯設站,本項目共布設9站測站,通過“環形”路線采集方案,可以保證建筑物墻面數據采集的完整性。為保證墻面復雜區域數據采集的完整性,本項目還借助了BLK360三腳架,通過升降腳架將掃描儀升至理想高度,增加掃描儀掃描視角。內業計劃通過靶標球方式進行拼接,因此外業數據采集時,靶標球需要在雕塑周圍進行布設,并且保證不得有三個及以上靶標球共線或者共高。

點云數據預處理包括點云配準、點云裁剪、點云去噪和點云抽稀。根據外業布設靶標球情況,內業采用靶標擬合方式進行建筑物點云拼接;而外業作業過程中非目標點云數據如行人、綠植等有可能被采集,因此內業需要將不屬于不規則實體部分“裁剪”掉;在點云精簡上,由于項目組計算機配置較高,而后期需要進行點云擬合操作,因此預處理中不對點云數據進行精簡操作。預處理后的點云數據如圖4所示。

圖4 預處理后的建筑物點云數據

3 建筑物傾斜監測分析

3.1 建筑物墻面分割

不同于利用重心法從整體角度對房屋的傾角進行了分析,本文主要對建筑物四面墻體的傾角進行研究,對外業獲取的墻體點云數據進行詳細分析。因此首先需要分割出東墻、西墻、南墻和北墻,并且為提高結果精度,還需要對附屬物如窗戶、下水管等進行“分割”處理,只保留完整的四面墻體點云數據。

3.2 建筑物墻面擬合

在計算垂直度之前,首先得對各面的點云數據進行平面擬合,通過測量擬合的平面與基準面的夾角來計算該墻面的垂直度。本次平面擬合采用的是geomagic qualify軟件進行的,其擬合的原理就是基于最小二乘原理的平面擬合,以東墻和南墻的點云擬合結果為例,選擇“特征”工具欄下的“平面—最佳擬合”功能,選擇需要擬合的墻面區域,擬合后的偏差色差圖如圖5所示,可以看出兩個墻面的偏差色譜圖的顏色都很一致,說明墻體表面大部分都很平整[5]。

圖5 東、南墻面點云擬合偏差色譜圖

3.3 墻面傾斜角測量

本文是采用掃描儀在掃描時建立的坐標系的XY平面為本次測量的基準面,墻面點云數據擬合完成后,選擇“分析”工具欄下的“3D尺寸—測量角度偏差”測量墻面與基準面間夾角,再根據墻面高度根據夾角公式計算墻體最大傾斜量,以西面和北面墻為例,測量的結果如圖6所示[5]。

圖6 墻面傾斜角度測量結果

測量和計算結果整理后如表1所示:

表1 各面墻量測結果

由表1可知該建筑物的整體向東南方向傾斜,該建筑物四個墻面的傾斜度都不一樣,北面墻偏移距離不到 1 cm,東面和南面墻偏移距離在 5 cm左右,西面墻偏移較大,偏移距離接近 10 cm,可能存在沉降風險。

4 精度對比分析

為驗證本文方法的可行性,本文采用經緯儀前方交會常規測量法測量建筑物墻面傾斜度,選擇建筑物角線上的兩個處于同一鉛垂線的兩個點,在建筑物不遠布設兩個已知的控制點,在控制點上架設測站分別對處于鉛垂線上兩個點進行測量,最后根據前方交會計算公式計算偏移量,兩種方向進行測量結果比較如表2所示[6]:

表2 與傳統方法對比結果

從表2可以看出,兩種方法所得結果偏差值相差比較小,采用t檢驗法對結果進行檢驗。取偏差值為樣本計算t值。最終可得t=1.027,通過查表得t0.05,即兩種方法所得結果具有高度一致性,可以認為本文方法能夠滿足建筑物傾斜形變分析要求。

5 結 語

本文依托實際工程案例,基于三維激光掃描技術進行垂直度測量,應用平面擬合法對建筑物墻面的傾斜度進行測量分析,通過每一面墻的傾斜情況來反映建筑物傾斜情況,并與常規全站儀測量的方法測量結果進行對比,研究結果表明該方法具有較好的置信度。但需要注意的是當建筑物墻體上有大量的附屬物或者墻體為曲面結構時,采用平面擬合的方法不太適用。