基于三维激光扫描技术的建筑物墙面平整度检测

李 广 吴长悦 冯 腾 王春鑫

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063000)



基于三维激光扫描技术的建筑物墙面平整度检测

李 广 吴长悦 冯 腾 王春鑫

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063000)

阐述了三维激光扫描技术在某建筑物平整度检测中的应用，重点探讨了三维激光扫描仪进行建筑物平整度检测的数学模型、作业流程和点云数据处理方法，指出利用三维激光扫描仪进行建筑物的平整度检测具有精确可行性。

建筑物，平整度，三维激光扫描，点云数据

0 引言

随着我国城市建设的快速发展，高层超高层建筑物日益普及，如何保证建筑物在建设和运营当中的安全，一直以来都是人们所关心的问题。而对建筑物进行各种各样的检测是保证其安全的重要手段，墙面的平整度检测是建筑物安全检测当中的重要一环。平整度影响着建筑物的外观，对墙面的各种装饰的稳定性也有一定的影响。

建筑物墙面的平整度传统的检测方法有2 m靠尺与楔形塞尺检测法和全站仪检测法。第一种检测方法是将靠尺放在墙面上，将楔形塞尺的游码推到靠尺的顶部，然后将该楔形塞尺的顶部插入靠尺与待检测墙面间的缝隙，读取游码刻度即为平整度偏差。此方法不仅慢，且检测点也不均匀，检测精度不高。全站仪检测法是一种目前最常用的墙面平整度检测法，目前许多类型的全站仪都具有免棱镜的测量功能，这为墙面的平整度检测提供了巨大的便利，不仅提高了检测的速度，而且还能大大降低检测人员的危险性。使用全站仪进行检测时，只需对被测墙面进行均匀的测点，然后再对被测的点进行平面拟合，把拟合出的平面当作是近似的墙面，然后计算各点到拟合平面的距离的平均值，即为该墙面的平整度。

三维激光扫描技术是近几十年才发展的一门新技术，它能快速，精确的对物体进行测量，获取被测物的三维特征信息。与全站仪相比，三维激光扫描仪能够全天候，不需照准目标的进行测量。相比三维激光扫描仪的这些优势特点，本文就参照全站仪对建筑物墙面平整度检测的方法和数据处理的方法，尝试利用三维激光扫描仪对建筑物的墙面平整度来进行检测。

1 平整度计算方法

采用三维激光扫描仪和全站仪测量的是墙面上一系列的点，理论上同一墙面上的点应该在一个平面上，但实际情况是由于建筑物在施工建设中的误差，以及测量中的误差导致这些点云往往不在一个平面上，所以就需要对这些点进行拟合，把拟合的平面当作是墙面，然后再计算各点到平面距离的平均值即为该墙面的平整度。

平面方程一般表达式为：

p(x,y,z)=Ax+By+Cz+D=0

(1)

为了方便求其参数，上面方程两边同时除去D，化为：

p(x,y,z)=ax+by+cz+1=0

(2)

对测得的点云数据(xi，yi，zi)(i=0，1,…，m)要求其最小二乘拟合平面其实就是求：

(3)

其中,p(x,y,z)=0，该公式化为：

(4)

(5)

(6)

可得：Q[abc]T=K，解得平面系数为：

[abc]T=Q-1K

(7)

各点到拟合平面的距离为：

(8)

墙面的平整度为：

(9)

其中，d为测量点到拟合平面的距离;m为测量点到拟合平面的点位中误差，可以看作是所测墙面的垂直度，m越小就说明墙面越平整，即其平整度越高,反之，m越大就说明墙面越凹凸不平，即其平整度越低。

2 实例分析

选择天津市滨海新区新兴园小区新建的7号楼为实验对象，采用FARO X330型地面三维激光扫描仪对该楼进行扫描测量。

2.1 外业扫描

该楼南北面较长，东西面较短，图1为大楼的平面示意图，在较长的南北面分别测量了三站，而东西面分别测量了两站，相邻两站之间都有足够的公共区域。

2.2 点云数据处理

本次点云数据的处理主要分为两步，第一步是点云的拼接，第二步是点云的去噪。由于最后需要的是各面的点云数据，故本次采用分面进行拼接，具体为把Z1,Z2,Z3站的数据进行拼接得到南面墙面的点云数据，由Z3～Z5得到西面的数据，Z5～Z7得到北面的数据，Z7,Z8,Z1得到东面的数据。本次拼接采用扫描仪自带的scene软件进行拼接，选择相邻区域内的一些点、面来进行拼接。

点云拼接之后就是对点云进行去噪，分为两步，第一步是在scene软件里进行手动去噪，把一些明显的噪点(如树木、人、玻璃等)进行手动删除，如图2所示，墙面的玻璃的位置处含有很多的噪点，对于这些噪点直接将其删除，最后得到的点云如图3所示，已经把玻璃整块删除了，只剩下墙体的点云了，然后将点云数据导入到geomagic qualify软件中进行后续的去噪，采用该软件去除一些非连接项和体外孤点等，这样能够去除肉眼看不到的一些噪点。

2.3 平整度计算

在geomagic qualify软件中对点云数据进行基于最小二乘原理的平面拟合，拟合后该软件能够自动计算出拟合平面的点位中误差，其即为该面墙的平整度。由于篇幅所限，以东面墙的点云数据进行演示，其点云拟合如图4，图5所示。由图3可知该墙面各个位置的凹凸情况，不同颜色代表了该位置点到拟合平面的距离不同，总体来看该墙面还比较平整，只有右上角和中间有一小块儿位置向外凸出，都在可接受的误差范围之内。

按照上述方法，计算其他三面墙的平整度，最后计算结果如表1所示。

表1 平整度计算结果

由表1可以看出，北面墙的平整度最大,东面墙的平整度最小，说明东面墙最平整，北面墙最凹凸不平。2014年，李杰等人[6]也采用了三维激光扫描仪对建筑物墙面的垂直度进行了检测，在对数据进行分析时，他们使用Matlab软件，对墙面坐标数据进行选权迭代拟合，获得精确的墙平面方程以及每一点到该拟合平面的距离，最后根据这些距离进行墙面平整度的计算和分析，并根据这些值做成了距离统计直方图和墙面平整情况分布图，以此来反映检测墙面的凹凸情况。而本文是采用的geomagic qualify软件来对点云数据进行处理和分析，最后得到的点云色差图，在效果上与李杰等人最后得到的墙面平整情况分布图一样，都能很清楚直观的反映出墙面的凹凸情况，但是本文对于数据处理和分析的方法更为简单，效率更高，为后续的用三维激光扫描仪测量墙面的平整度做了一个借鉴。

3 结语

利用地面三维激光扫描仪不仅能快速的检测出建筑物墙面的平整度，能清晰、直观的知道墙面任何位置的凹凸情况，本次试验也发现了三维激光扫描仪测量方法的不足之处，就是在对点云数据进行去噪时，去噪的是否彻底，直接关系到最后平整度的计算结果。特别是建筑物上一般都会有许多玻璃，当扫描仪的激光打在玻璃上时会产生反射和投射，这就使得在测量时产生大量的噪点，目前对这些噪点还只能手工剔除，给数据处理带来很大的难度。随着三维激光扫描点云软件的数据处理能力的提高，那时这个问题将会得到更好的解决。总而言之，利用三维激光扫描仪做建筑物的平整度检测是一个可行的方法，相信在不久的将来这一技术会普遍的应用于建筑物的平整度检测当中。

[1] 杨学超,杨国林,郭 楠.基于免棱镜全站仪对建筑物墙面平整度拟合算法的研究[J].矿山测量,2014(5):45-48.

[2] 蔡来良,吴 侃,张 舒.点云平面拟合在三维激光扫描仪变形监测中的应用[J].测绘科学,2010,35(5):231-232.

[3] 赖文敬,肖景红,顾 轩，等.高精度检测瓷砖表面平整度[J].中国陶瓷,2014,50(10):52-56.

[4] 程效军,唐剑波.基于最小二乘拟合的墙面平整度检测方法[J].测绘信息与工程,2007,32(4):19-20.

[5] 曹 奇,岳东杰,杨 畅.三维激光扫描技术曲面拟合方法研究[J].测绘与空间地理信息,2014,37(8):104-106.

[6] 李 杰,程效军.三维激光扫描仪在墙面平整度检测中的应用[J].井冈山大学学报(自然科学版),2014,35(4):13-17.

The 3D laser scanning technology based on building wall roughness detection

Li Guang Wu Changyue Feng Teng Wang Chunxin

(CollegeofMiningIndustryEngineering,TheNorthChinaUniversityofTechnology,Tangshan063000,China)

The paper describes the application of three-dimensional laser scanning technology in the architectural evenness detection, explores mathematical model, working procedure and point cloud data processing methods in detecting the architectural evenness with three-dimensional laser scanner, and points out its feasibility in detecting the architectural evenness.

architecture, evenness, three-dimensional laser scanning, point cloud data

1009-6825(2017)11-0204-02

2017-02-10

李 广(1986- )，男，在读硕士； 吴长悦(1971- ),男，高级工程师

P258

A