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标题	三维激光扫描技术在建筑物变形监测中的应用研究
范文	朱曙光 聂松广 摘要：论文通过利用三维激光扫描技术对某建筑物进行扫描监测，求取了监测点的水平和垂直位移量，通过点云匹配比对分析获取了建筑物的整体变形信息，同时通过两次扫描数据和全站仪传统测量方法进行了比较，验证分析了三维激光扫描技术应用于建筑物变形监测的可行性及精度。 Abstract： The paper uses 3D laser scanning technology to scan and monitor a building， and obtains the horizontal and vertical displacement of the monitoring point. The point cloud matching analysis is used to obtain the overall deformation information of the building， and through two scans， the data is compared with the traditional measurement method of the total station， and the feasibility and accuracy of the 3D laser scanning technology applied to the building deformation monitoring are verified and analyzed. 关键词：三维激光扫描；数据处理；变形监测 Key words： 3D laser scanning；data processing；deformation monitoring 中图分类号：O348.11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0259-03 0 引言 传统的变形监测方法是基于固定有限的观测点进行监测，只能反映建筑的局部形变情况，而三维激光扫描技术是继全球卫星导航系统之后的又一次重大技术变革，打破了传统的接触式测量模式，不需接触被测物体就可以每秒上百万个点速度和高精度的获取监测对象表面的三维坐标，同时通过对点云数据进行一系列的处理构建建筑物的三维模型，将各期监测数据生成的模型进行比对分析，可以直观清晰的显示检测对象不同部位和整体变形情况。 1 三维激光扫描工作原理 三维激光扫描仪是利用扫描模块的脉冲计时装置记录测距系统发射器从发射激光束到扫描目标后反射回的时间差，然后根据根据光速和信号传播时间可以计算出扫描点到仪器的距离值S。 利用扫描模块的测距系统发射器发出一个激光脉冲信号，经旋转棱镜的反射作用射向被测物体，探测器接收并记录脉冲信号由发射到接收的时间间隔，根据光速和信号传播时间可以计算出扫描点到仪器的距离值S，同时观测出每个激光脉冲横向和纵向扫描角度的观测值α和β，然后内部运算程序依据公式（1）可计算出目标点云的坐标。 2 数据采集 为了便于点云数据配准和监测数据同传统方法对比，采集数据之前在监测建筑物周围使用全站仪通过任意设站的方式测设了4个平面高程控制点，控制点的选择应考虑建筑物的空间分布和四周障碍物的遮挡情况，保证相邻测站的扫描区域有重叠部分。为了和传统方法对比验证三维激光扫描的单点定位精度，在建筑物墙壁上布设了6个标靶，然后依次在4个控制点上设站并进行了扫描。 3 点云数据处理 3.1 点云拼接 点云数据拼接将多个测站的点云数据转换到同一基准坐标系下组成一个完整点云，其拼接方法有标靶拼接、点云拼接、控制点拼接和混合拼接四种。本次实验因实现布设了控制点，在扫描时均进行了测站设置与定向，扫描的点云数据已处于同一基准下，无需进行点云拼接。 3.2 点云去噪 在获取点云数据的时候，由于受仪器精度、被测物体表面质量、外部环境等因素的影响，必然会出现一些测量误差比较大的点，这些点称为噪声点，它们会严重影响数据本身和后续建模的精度，因此必须把这些噪声点剔除掉。工作中采用利用处理软件通过设置合适的参数或者眼睛直接判断来进行删除，另外在采集数据前应合理设置扫描参数、避开人员、车辆等障碍物来尽可能减少噪声点。 3.3 点云滤波 去除噪声后的点云不仅数据量大，而且占用大量内存，严重影响下一步数据处理和建模的反应速度，因此在保证数据质量的情况下可以对点云数据进行简化和平滑处理，其处理过程也是根据实际用途和要求合理地设置滤波参数通过人机交互的方式来完成。 4 三维建模 本次实验主要是将cyclone中进行拼接和去噪滤波处理后的点云数据以（*.xyz）格式输出，然后导入到Geomagic studio中来进行三维模型的构建。利用Geomagic studio构建建筑物三维模型一般需要点、多边形和曲面3个阶段。 4.1 点阶段 点阶段主要对点云数据进行着色、去除噪声、点云重采样及封装等处理，为建立模型奠定基础。前面已利用cyclone软件完成点阶段的工作，为了提高建模精度，这里可以再次对点云数据进行去噪处理，这里不再详细介绍。 4.2 多边形阶段 多边形阶段主要是创建多边形网格，在外业扫描时因目标自身表面反射情况不同及障碍物遮挡会造成局部点云数据缺失，从而在构建多边形格网时出现一些孔洞或缺口，为了保证三维点云信息的完整性和构建模型的精度，就需要对其进行修补，最后在保证数据不失真的前提下对多边形进行简化和光滑处理，以减小数据量，提高计算机反应速度。 4.3 曲面阶段 曲面阶段是在多边形阶段编辑完成以后通过探测和提取轮廓線并对其编辑处理移动到正确位置，再构造曲面片和栅格，对排列不合理的进行适当调整，然后通过拟合曲面功能生成一个连续的Nurbs曲面。 5 建筑物变形与扫描精度分析 5.1 建筑物变形分析 5.1.1 基于监测点的建筑物变形分析 基于离散点的建筑物变形分析是常规的固定监测点的监测方法，本次实验通过于2017年9月和2017年11月两次扫描建筑物的点云数据，然后提取出同一个监测点的两期数据进行比较得出建筑物的变形数据，见表1。 从表1中可看出建筑物沉降位移情况，其中沉降量最大点为监测点J6，沉降量为9mm，最小为J2点，沉降量为3mmm，各监测点水平位移北坐标方向最大值为11mm，最小值为3mm；东坐标方向最大值为6mm，最小值为2mm；综合分析可得该建筑物整体向西北方向发生位移变化，具体位移情况见表2。 5.1.2 基于点云数据的建筑物整体变形分析 利用三维激光扫描技术对建筑物进行变形监测可以全方位、全自动的获取监测对象的数据信息，整体监测是利用Cyclone软件对前后两次建筑物的整体合并数据进行整体配准，配准方法可以采用基于控制点特征的配准方法，这种方法对于大场景的数据配准精度较高。通过前后两次数据的比对可以清楚地展示出待测物体各个部位变形的大小，得到待测物体整体变形的信息，可以提高工作效率，弥补传统变形监测方法的片面性和局限性。 5.2 扫描结果精度分析 本次实验对测量标靶精确扫描之后提取了标靶中心的点位坐标，同时用全站仪采用坐标测量方法对这些点进行了观测得到了两期全站仪的监测数据，通过对两种方法得到的误差数据计算分析三维激光扫描仪的测量精度。两期的数据对比见表3。 从表3中全站仪和三维激光扫描仪观测的数据比较得知，北坐标方向最大差值为8mm，最小为2mm；东坐标方向最大差值为9mm，最小值为3mm；高程最大差值为7mm，最小为3mm。点位中误差为7.56mm，高程中误差为5.63mm。两种方法测量结果差值较大，由于三维激光扫描仪和全站仪都存在对中、整平等误差的影响，都不能视为真值，所以三维激光扫描仪和全站仪的监测对比中，本身仪器固有的系统误差都不能够有效消除。为了进一步验证三维激光扫描精度，又分别在同一测站连续架设两次仪器和连续进行两次定向进行了扫描，经过数据处理后者测得的坐标精度高，点位和高程中误差均不超过1.5mm，主要因为消除了仪器的对中整平误差、仪器量取误差和部分系统误差的影响。 6 结语 三维激光扫描技术克服了基于固定点监测的传统变形监测手段的片面性，可以快速扫描得到高精度的海量建筑物点云数据，可以满足变形监测的基本要求，通过对点云数据的处理和分析，可以直观地得到建筑物的整体或局部变形信息。但通过不同时期地建筑物重建模型来进行整体比分析时，就需要精确的点云数据配准和构建高精度的三维模型，这方面还有很多的提升空间。在实践工作中应当根据工作要求，将三维激光扫描技术与传统测量手段相结合，可以取长补短、充分发挥各自优势，以达到更好的效果。 参考文献： [1]党晓斌.三维激光扫描技术在建筑物形变监测中的应用研究[D].长安大学，2011. [2]朱曙光，何宽，等.徕卡三维激光扫描系统在建筑物精细建模中的应用[J].测绘通报，2018，2：154-156. [3]朱磊，王健，等.三维激光扫描技术在变形监测中的应用[J].北京测绘，2014，5：78-82. [4]李寶瑞.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D].长安大学，2012. [5]郭东东.基于三维激光扫描的建筑物变形监测方法研究[J].施工技术，2014. [6]吴侃，黄承亮，等.三维激光扫描技术在建筑物变形监测的应用[J].辽宁工程技术大学学报，2011，30：205-208. [7]丁延辉，汤羽扬，等.基于地面三维激光技术的建筑物变形监测研究[J].北京测绘，2011，2：4-6. [8]陈小荣，雷劲松，等.高层建筑沉降观测数据处理与分析新方法[J].四川建筑科学研究，2009，03. [9]地面三维激光扫描技术的发展与应用前景[J].电子测量技术，2009，4：11-15.
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