三维激光扫描技术在古塔倾斜测量中的应用研究

程会平，梁爽，熊剑

(1.武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430022； 2.国家测绘地理信息局第二地形测量队，陕西 西安 710054)

三维激光扫描技术在古塔倾斜测量中的应用研究

程会平1*，梁爽2，熊剑1

(1.武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430022； 2.国家测绘地理信息局第二地形测量队，陕西 西安 710054)

随着文物保护事业的深度发展，文物保护的信息化、科学化水平逐步提高。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描测绘技术，可以连续、自动、快速获取大量目标地物表面的三维点云数据，具有获取数据量大、精度高、不接触、全天候工作等优势。本文主要以陕西省某古塔为例，采用三维激光扫描测量技术获取其在垂直方向的变形量，并利用全站仪测量的常规测量手段验证，通过对比分析，得出三维激光扫描技术能够应用于古塔倾斜测量。

三维激光扫描技术；古塔；倾斜测量

1 引 言

随着文物保护事业的深度发展，文物保护的信息化、科学化水平逐步提高。信息化测绘技术作为重要技术手段和有效支撑，可以为文物保护提供准确可靠的数据[1]。

三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)是一种先进的全自动、高精度、立体扫描测量技术。它是用三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标，然后由获得的点云数据构造出目标地物的三维模型的一种全自动测量技术[2]。三维激光扫描技术可以连续、自动、快速获取大量目标地物表面的三维点云数据，具有获取数据量大、精度高、不接触、全天候工作等优势[3～5]。

本文主要采用三维激光扫描技术开展古塔的倾斜测量研究工作，并以传统的测绘方法验证该方法的准确性与可靠性，为古塔的倾斜测量提供一种新的技术手段。

2 技术路线

以陕西省某古塔作为研究对象，应用三维激光扫描技术获取古塔的三维点云数据，通过点云的拼接、去噪等处理，获取古塔的点云数据，并计算其垂直方向偏移角度。根据相关规范要求，在塔的周围布设控制点，采用全站仪测量的常规方式获取该塔的垂直方向偏移角度，并以此作为基准验证三维激光扫描技术获取的古塔倾斜结果[6]，如图1所示。通过对比分析，验证三维激光扫描技术在古塔倾斜测量中应用的可行性。

图1 技术路线图

3 实验及分析

3.1 三维激光扫描技术测量古塔垂直方向偏移角度

(1)测量设备

应用了徕卡ScanStation超高速三维激光扫描仪，扫描距离可达 270 m，测角精度8″，测距精度 1.2 mm+10 ppm，扫描速率高达1，000，000点/秒，系统精度指标如图2所示。

图2 系统精度

(2)测量方法及结果

应用三维激光扫描技术获取了古塔的点云数据，以此数据为基础开展计算。在塔底的点云数据处用水平面裁切，形成一个六边形，通过计算获取六边形的中心O，在该中心处作垂线L。在塔顶五层处用水平面裁切，获取该层六边形平面的中心点A，作OA连线，计算OA与垂线L的夹角即为塔在垂直方向的偏移角度。计算示意图如图3所示。

通过计算，得出古塔在垂直方向的偏移角度为2.84°。

图3 三维激光扫描测量偏移角度

3.2 常规测量方法验证

(1)测量设备

本次验证测量的等级为三级，精度±10.0 mm。采用了日本索佳全站仪，型号为SET230RK3，测角精度2″，测距精度 2 mm+2 ppm，测量仪器参数如表1所示，本次验证过程及结果由该塔管理方提供。

(2)测量方法及结果

在塔周围适当位置布设了4个控制点，编号Z1、Z2、Z3、Z11，位置示意图如图4所示。

图4 控制点位置示意图

采用假设坐标系统，以Z3点的磁北方向为正北方向定向，假设Z3坐标，用极坐标法测出Z1、Z2、Z11的坐标。然后分别在Z11、Z3控制点上架设全站仪，按极坐标法实测塔底部各角细部坐标(各点高度基本相同，高度为塔体接地面高度)，取塔底部各角细部坐标的平均值作为塔底部中心坐标。同理实测塔上部中心坐标。塔的高度测量，采用全站仪两次实测塔顶部高程，塔顶平均高程减去塔底各角平均高程即得到塔的高度 18.2 m。根据塔上部中心坐标和塔底中心坐标，可以计算出塔顶中心与塔底中心在水平投影面上的距离为 0.896 m，通过以上数据可以计算获取塔在垂直方向的偏移角度2.82°。偏移角度的计算方法如图5所示。

图5 塔偏移角度计算方法

3.3 结果分析

(1)三维激光扫描技术测量的古塔在垂直方向的偏移角度与常规方法相差0.02°。以常规方法测量的古塔高度 18.2 m作为基准，塔身偏移在地面上的投影距离为：tan(2.84)×18.2=0.903 m，与常规方法相差 7 mm，考虑到误差因素，两种方法的测量结果基本一致。

(2)考虑到两种方法本身的差异，为了减少塔顶选取位置等人为操作产生的干扰，只选取了古塔在垂直方向的偏移角度作为实验对比因素。

通过实验结果可以得出，三维激光扫描技术能够应用在古塔倾斜测量方面开展应用。

4 结 语

应用三维激光扫描技术对某古塔开展倾斜测量工作，并以常规的全站仪测量方法作为验证手段，通过测量结果的对比分析，得出三维激光扫描技术能够在古塔的倾斜测量中展开应用，精度能够满足要求。

三维激光扫描技术速度快，操作简单，非接触式的测量方式，既减少了工作量，提高了效率，又对古塔等文物不造成破坏，有利于古塔等文物的保护。

[1] 李海泉，杨晓锋，赵彦刚. 地面三维激光扫描测量精度的影响因素和控制方法[J]. 测绘标准化，2011，27(1)：29～31.

[2] 刘广辉，杨晓锋，刘永雷等. 地面激光扫描技术用于考古发掘的研究[J]. 测绘标准化，2013，29(2)：23～25.

[3] 周富强，吴艳，戴灿伟等. 三维激光扫描技术在渠坡冻胀监测中的应用[J]. 测绘通报，2014(11)：129～132.

[4] 李婷峰，杨润萍. 基于地面三维激光扫描仪的丘陵地区地形快速测量[J]. 地矿测绘，2014(4)：20～22.

[5] 段炼，田滔. 基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J]. 城市建筑，2014(9)：368～368.

[6] 臧伟，钱林，孙宝军等. 地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J]. 北京测绘，2015(3)：130～135.

The Application Research of Tilt Measurement of Ancient Tower on 3D Laser Scanning Technology

Cheng Huiping1，Liang Shuang2，Xiong Jian1

(1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.，Ltd，Wuhan 430022，China；2.The Second Topographic Surveying Brigade of NASG，Xi’an 710054，China)

With the development of cultural relic protection，the level of information and scientific of cultural relics protection is gradually increasing. Three-dimensional laser scanning technology is a kind of advanced high-precision automatic scanning technology，which can capture a large number of three-dimensional point cloud data of surface of the target objects continuously，automatically and quickly with the advantages of large amounts of data，high precision，non-contact，all-weather work and so on. Taking the ancient tower in Shaanxi province as an example，the article applied three-dimensional laser scanning technology to obtain the deformation of the tower in the vertical direction，validated by measurements using conventional total station measurements and arrived at a conclusion that the three-dimensional laser scanning technology could apply in tilt measurement of ancient tower by comparing the results.

three-dimensional laser scanning technology；ancient tower；tilt measurement

1672-8262(2017)04-111-03

P234.4

B

2016—11—04

程会平(1986—)，女，硕士，工程师，现主要从事工程测量、地理信息系统建设、遥感影像解释及实践工作。