袁永東

【摘要】為了及時(shí)掌握建筑的變化情況和結(jié)構(gòu)形態(tài)，要注重建筑的變形測量研究，傳統(tǒng)的單點(diǎn)測繪技術(shù)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(shù)，快速采集和獲取建筑物的三維點(diǎn)云信息，反映建筑物的表面特征，精準(zhǔn)高效地完成建筑物的變形測量。

【關(guān)鍵詞】建筑;變形測量;三維激光掃描技術(shù)

傳統(tǒng)變形監(jiān)測手法僅限于某一點(diǎn)的測量，且須設(shè)置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行長時(shí)間的變形監(jiān)測，這種方法存在較大的局限性。為此本文重點(diǎn)探討更加高精度和高效率的三維激光掃描技術(shù)，精準(zhǔn)高效地獲取地表建筑物的表面信息，并能夠從點(diǎn)、線、面等不同維度進(jìn)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(shù)主要由掃描儀的激光器發(fā)射激光脈沖，依據(jù)脈沖由發(fā)射到返回的時(shí)間差，計(jì)算獲取掃描儀坐標(biāo)原點(diǎn)至被測物體表面的距離，測量出激光脈沖發(fā)出時(shí)的水平掃描角度/垂直角度的觀測值。相關(guān)軟件主要采用Riscan Pro數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行掃描儀控制、數(shù)據(jù)獲取及拼接、導(dǎo)入、導(dǎo)出處理等，生成高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形，并將多邊形轉(zhuǎn)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(diǎn)云變形監(jiān)測狀況。

三維激光掃描測量的作業(yè)方法和流程主要包括以下內(nèi)容：（1）獲取野外數(shù)據(jù)。要進(jìn)行現(xiàn)場的踏勘，預(yù)先了解和把握被測區(qū)域、掃描對象的具體情況，合理確定掃描站點(diǎn)和控制點(diǎn)，獲取多個(gè)測站的三維點(diǎn)云信息，并運(yùn)用公共標(biāo)靶進(jìn)行多測站掃描數(shù)據(jù)的拼接，形成完整的某一相同坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在測量區(qū)域內(nèi)構(gòu)建測量控制網(wǎng)，測定若干控制點(diǎn)的平面位置和高程，布設(shè)專用的變形監(jiān)測控制網(wǎng)，如：水平位移監(jiān)測網(wǎng)、沉降監(jiān)測網(wǎng)，進(jìn)行野外數(shù)據(jù)的采集，在標(biāo)靶中心高程測量的前提下，做好掃描前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，開展野外數(shù)據(jù)采集工作。（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理?？紤]到三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的龐大、雜亂特點(diǎn)，要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的預(yù)處理，對于觀測數(shù)據(jù)表面以外的雜點(diǎn)要進(jìn)行點(diǎn)云去噪處理，僅存留建筑物體表面的點(diǎn)，減少后續(xù)處理的工作量。還要進(jìn)行點(diǎn)云拼接預(yù)處理，對于不夠完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息要將多站掃描坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同坐標(biāo)系之下，完成點(diǎn)云完整性拼接處理。

在運(yùn)用三維激光掃描測量技術(shù)的過程中，要進(jìn)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(diǎn)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(gè)平面相交得到的交點(diǎn)獲取變形點(diǎn)，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(jì)算獲悉建筑物的傾斜位移情況。另外，要對不同時(shí)期獲取的多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行變形分析，具體分析方法有：（1）點(diǎn)云和點(diǎn)云的直接對比分析。將不同時(shí)期相同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接求差，獲悉被測物體的變形狀況和數(shù)值。（2）點(diǎn)云和平面的對比分析?？梢岳萌S激光掃描技術(shù)提供被測對象表面高密度的三維信息，利用TLS點(diǎn)的高密度實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面的變形分析。（3）面和面的對比分析。計(jì)算獲取不同時(shí)期相同平面的法向量，基于第一期平面數(shù)據(jù)的法向量前提，計(jì)算獲悉法向量的夾角，根據(jù)法向量的夾角是否為零判定該平面是否存在變形現(xiàn)象，當(dāng)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(shù)在建筑變形測量中的具體應(yīng)用

某建筑為四柱三間三樓式的石構(gòu)牌坊，通高為9.65m，在常年地基下沉、風(fēng)雨侵蝕和人為破壞影響下，存在相對嚴(yán)重的整體/局部傾斜，為了準(zhǔn)確全面反映建筑體的整體變形情況，要進(jìn)行精準(zhǔn)高效的傾斜測量，在距離建筑體60m外的地方布設(shè)三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，附近布設(shè)4-6個(gè)變形觀測點(diǎn)，形成變形測量坐標(biāo)框架。

要進(jìn)行被測建筑物的首期變形測量，獲悉變形體初始狀態(tài)，計(jì)算各塊變形體的初始平面位置、標(biāo)高、方向、姿態(tài)、長度等，要擬合一條直線作為變形量測的基準(zhǔn)線，并由基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面構(gòu)成變形坐標(biāo)系，計(jì)算被測對象的重心位置，進(jìn)行變形分析。

2.1 數(shù)據(jù)采集

采用NET05全站儀搭建獨(dú)立的平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，運(yùn)用三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和三維形態(tài)重構(gòu)，核心站的掃描分辨率為5mm/10m，主要進(jìn)行建筑物的基礎(chǔ)不均勻沉降變形測量、石柱變形測量，并提取變形基元，計(jì)算變形參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

考慮到三維激光掃描技術(shù)變形測量過程中的諸多不可控因素，要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)周邊的雜質(zhì)點(diǎn)，刪除監(jiān)測對象周邊的冗余點(diǎn)云，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽稀處理，縮減點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量，加快點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理速度，并將多個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接至同一坐標(biāo)系，使之成為完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)體系，確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理分析的精度和速率。

2.3 數(shù)據(jù)變形分析

分期進(jìn)行被測建筑物的3次變形測量，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(nèi)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(zhì)濕潤和機(jī)械施工所導(dǎo)致的，并且不同觀測點(diǎn)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(jì)算得出觀測線與垂線夾角和傾斜方向，據(jù)觀測獲取如下數(shù)值：

由上可知，被測建筑物的總體狀態(tài)大體穩(wěn)定，基座是產(chǎn)生建筑物變形的主要根源，因基座的不均勻沉降導(dǎo)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(jié)語：

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)體現(xiàn)出不可比擬的優(yōu)勢特點(diǎn)，能夠較好地適用于建筑變形測量實(shí)踐之中，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段的局限性，依循相應(yīng)的原理和流程，完成被測建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接和地理化等工作，高效精準(zhǔn)地獲取被測建筑的變形狀況和趨勢。

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