三维激光扫描技术在高层建筑变形监测中的应用

李仁忠，刘洁

（重庆市勘测院重庆400020）

三维激光扫描技术在高层建筑变形监测中的应用

李仁忠，刘洁

（重庆市勘测院重庆400020）

本文介绍了三维激光扫描测量的原理及特点、仪器测试及站点选择、误差成因及数据处理的理论与方法、使用三维激光扫描技术对重庆世贸大厦进行研变形监测数据分析统计，讨论了三维激光扫描技术应用在变形监测领域内的可行性、技术优势和存在的问题，并将地面三维激光扫描技术与常规变形监测方法进行对比，得到定量的分析结果，具有典型的代表意义和社会经济价值。

变形监测；三维激光扫描；重庆世贸大厦

1 引言

重庆是山地城市，高楼林立，它们的安全运营、使用直接关系到人民的安全。城市高层建筑的变形观测及安全监测是维护建筑物正常使用的必要技术措施。变形监测的技术手段多种多样，目前主要采取的方法有：常规测量、GPS测量、传感测量等。常规变形监测是基于点的测量，信息有限、效率低、安全隐患大、耗时多、受环境影响大。近年来，三维激光扫描测量技术的发展，已在文物古建筑保护、施工检测、地质灾害监测方面有应用，但在建筑变形监测方面的应用实例较少，未形成体系。

将地面三维激光扫描技术引入到高层建筑变形监测领域，具有极大的现实意义，是目前的发展趋势。重庆解放碑的世贸大厦是重庆的标志性建筑，是西南地区的第一高楼。该大楼设计裙楼为8层，主楼为60层，地下5层；平街层地面标高为251m。本文以重庆世贸大厦的变形监测为例，通过对地面三维激光扫描技术的测量工艺流程和变形监测的试验研究，探索三维激光扫描技术在变形监测领域的理论方法，从而进一步推动三维激光扫描技术在测绘领域的应用。

2 地面三维激光扫描技术原理及特点

图1 扫描原理图

2.1 工作原理

X=Ssinθsinα

Y=Ssinθcosα(1)

Z=Scosθ

激光扫描仪的测距方法是根据光学三角测量的原理(见图1)，以激光作为光源，通过扫描仪内的发射装置，将激光束投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，通过测量每个激光脉冲，从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间或相位差，计算出激光扫描仪到物体扫描点之间的距离值S和反射强度I，α、θ和S被用来计算激光打在被测物体上的扫描点的三维坐标（见公式1），扫描点的反射强度I则用来给反射点匹配颜色。这样就能够获取被测对象表面每个采样点的空间立体坐标，从而得到被测对象的离散采样点集合，即激光点云。α、θ的大小由扫描控制模块控制，反映的是分辨率。因此，扫描仪根据应用目的不同，选择距离S和角分辨率，角值越小，点云越多，模型更精细，纹理更清晰。

2.2 地面三维激光扫描技术的特点

（1）测量速度快、效率高，最高达5000点/秒。

（2）信息量丰富，以大量的点云坐标代表监测体，且带有建筑体表的纹理信息。

（3）测量的准确性高，精度根据仪器型号、距离远近、反射面的反射程度不同而有差异，能满足10mm-0.003mm的精度。

（4）非接触测量，有利于保护被测物体，无需埋点，节省资金和时间，减少了安置反射标志带来的安全隐患。

采用地面三维激光扫描技术能够快速、连续、自动地获取高精度、高密度的三维数据，获得的三维点云具有广泛的应用性。

3 仪器测试及站点选择

3.1 仪器选择及可行性分析

为落实三维激光扫描仪在山城地区标称精度，在空旷道路边选取四段距离，仪器与目标间隔约50m、150m、220m、300m，首先用Lcia2003全站仪（0.5秒，1+1PPm）配棱镜测出三段距离，在脚架、基座不动，仪器中心、目标中心、高度相同的情况下，用Trimble GX 3D配标靶面测出三段距离进行比较，见图2，比较结果见表1。

由表1可知，在50m内，扫描精度能满足一级变形精度要求，在150m内能满足二级变形精度要求，220m内能满足三级变形精度要求，300m附近只能用于变形量较大的监测对象，能反映出监测体的变化趋势。

图2 仪器测试

表1 全站仪与扫描仪测距比较数据

3.2 建筑物扫描试验

为检定扫描仪短距离扫描建筑体的精度，选择了距设站91m的“女人广场”建筑体进行了连续4次扫描，该建筑体墙面为瓷砖衬砌，与激光束基本垂直，反射效果好，见图3，各期结果统计见表2。

图3 建筑扫描测

表2 距离100m内扫描大楼变形量模型统计表

由表2可见，变形量(Δ)大于10mm为粗差，排除粗差后，各次扫描数据点云比较差值较小，最大值为3.0mm，最小值为1.1mm，中误差为0.8mm，按二级变形观测规范要求平面点位误差为2.5mm，限差为4.2mm（两次之差取限差3.0的√2倍），满足规范要求。就是说在150m内，三维激光扫描用于建筑体的变形监测能满足规范要求。

3.3 扫描站点选择

根据仪器的精度，通过多次对扫描场地进行踏勘，确定了合理的设置仪器架设方案。根据方案要求，观测高度角应小于30度，距离在100m～200m，因解放碑世贸大厦大楼外全部装饰，大部份为幕墙玻璃，为避免全透射情况发生，选择解放碑世贸大厦楼顶上的“中央商务区”标志为高层建筑扫描监测目标，利用世贸大厦施工监测时布设的基准网点SM2、SM3为起算点，引测2个工作基点TP1、TP2，使得站点至建筑物间的距离在130m左右，便于扫描仪和全站仪同时进行观测，如图4所示。选择天宝公司的Trimble FX 3D扫描仪，该仪器最大测程为350m，在100m内其点间距为2.5mm，模型化后一般能够达到2mm的点位精度。

图4 世贸大厦扫描

4 点云数据误差成因及后处理

4.1 误差的成因及影响

影响地面三维激光雷达采样数据精度的因素较多，主要包括：步进器的测角精度、仪器的测时精度、激光信号的信噪比、激光信号的反射率、回波信号的强度、背景辐射噪声的强度、激光脉冲接受器的灵敏度、仪器与被测点间的距离、仪器与被测目标面所形成的角度等。

这些影响因素直接导致了相应误差的产生。在不考虑信号测量误差的影响下，地面激光雷达的采样数据的精度主要取决于激光光斑的尺寸和光斑的点间距，这是影响其分辨率的主要因素。通常情况下，激光扫描数据的模型精度要显著高于单点的精度，可以考虑通过设立标靶、球形目标的坐标来改正点云的坐标，提高扫描模型的精度。

4.2 粗差剔除

原始点云数据包含了大量的粗差、错误和无关信息。尽管激光雷达具有一定的穿透能力，但激光扫描采集得到的数据仍然存在前景遮挡后景的现象、飞鸟或其他游离在视场内的目标产生的数据、局部的跳变数据和激光穿透窗户或照射目标完全吸收了激光信号等情形。这些粗差的剔除是扫描数据处理的一个关键，目前主要采用的是人工交互操作来实现。

将世贸大厦截取大楼顶部“中央商务区”标示区作为扫描面，人工编辑剔除粗差，得到的结果如图5所示。因大楼表面墙体是铝合金装饰材料，不利于扫描，大部分的激光点被散射掉，获得的点云密度不高。

图5 世贸大厦编辑后的点云数据

4.3 变形监测数据处理

将扫描得到的前后两期点云数据进行对比分析。用一组等间距的横向或纵向的截面截取两个扫描面，得到相同位置处两个扫描面之间点云的位移，即可将其视为两个时期的变形量。根据需求控制截面的间距，可得到密度不同的结果。

图6 世贸大厦两期点云数据的变形量分析图

将世贸大厦编辑后的相邻两期离散点云数据叠加在一起，用上述方法进行比对后，得到变形量的统计结果，如图6所示。变形量按照其大小用不同的颜色来表示，由此可以直观地看出变形的分布情况。由变形量的变化范围可知，编辑后的点云仍含有一定的粗差点。将后面三期的点云数据，分别与第一期数据进行比对，得到累计变形量。将变形量的可视化结果局部放大，如图7所示。图7中的若干短线即为该位置处两个扫描面间的距离，短线的长度值即为两期观测值间的变形量。

图7 变形量可视化结果局部放大图

5 数据统计与分析

由于世贸大厦表面墙体是铝合金装饰材料，编辑后的激光点云数据仍然存在大量的粗差点。因此，将变形量在20mm外的点视为粗差点，将20mm内的变形量作为有效数据进行统计分析，并将统计得到的平均变形量作为世贸大厦各期激光点云数据间的变形量。在用地面三维激光扫描系统对世贸大厦进行扫描的同时，也使用常规测量方法对其进行变形观测，得到各期同一时刻对应的观测数据。将两种方法得到的变形量进行比较，结果如表3所示。

表3 激光扫描与传统观测变形量比较表

用三维激光扫描技术与常规观测方法分别对世贸大厦进行测量，得到相邻两期及各期累计的变形量变化趋势，如图8所示。由统计结果可以看出：常规观测方法是基于点的测量，得到的变形点的变形量起伏较大；而三维激光扫描方法是基于面的测量，测量出的平均变形量起伏较为平缓，更能反应出目标建筑整体的变形情况。两种方法因变形量表示方式的差异，而有少量的偏差，但结果基本一致，均反映世贸大厦因受风力和日照等因素的影响处于动载中的情况。

图8 世贸大厦激光扫描与传统观测变形量变化趋势图

6 结语

地面三维激光扫描技术正被越来越多地应用于各个领域，对三维激光扫描技术应用于高层建筑的变形监测时，站点选择应控制扫描距离在150m内，保证扫描精度，满足规范要求。地面三维激光扫描技术作为一项全新的测量技术，与其相关的精度评定以及误差理论等，都还在探索过程中，有待进一步研究完善。将三维激光扫描技术应用于建筑物变形监测领域，具有良好的应用前景和可行性，是目前的发展趋势。

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责任编辑：余咏梅

Application of Three-Dimension Scanning Technology in Transmogrification Monitoring in High-Rises

This article describes the principle concerning Three-Dimension Scanning Technology，instrument testing and the choice of monitoring stations.It also deals with the causes of errors，data processing theory and how it is used in Transmogrification Monitoring in Chongqing's World-Trade High-Rise.The article exclusively focuses on the feasibility study concerning the relative fields and the advantages and disadvantages.Finally，a comparison is made concerning the ground Three-Dimension Scanning Technology with Transmogrification Monitoring to enable a quantitative analysis. Therefore，it is of typical social significance and economic values.

transmogrification monitoring;three-dimension scanning technology;Chongqing's world-trade high-rise

TU113.2

：A

：1671-9107（2010）10-0042-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.10.042

2010-6-24

李仁忠（1964-），男，本科，高级工程师，主要从事测绘管理与研究。

刘洁（1980-），女，博士，主要从事摄影测量与遥感、三维激光扫描等方面的研究。