基于地面三维激光扫描技术的建筑变形监测研究

凌进新

摘 要：为研究地表和空间对象点、线、面、体的形变特征，达到有效的预防和控制，常采用变形监测技术进行研究，鉴于三维激光扫描技术的诸多优点，可用于传统监测手段严重受限的特殊领域。本文通过介绍地面三维激光扫描技术变形监测的原理，以某建筑工程为例，研究分析了地面三维激光扫描技术在该工程中的监测实施过程，并对误差进行了分析，验证了该方法的可行性。研究表明，在古建筑领域利用三维激光扫描技术有不可替代的优势。

关键词：三维激光扫描 变形监测 点云 数据处理

中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（c）-0059-02

1 项目概况

如图1所示，大钟及其相关建筑是一处文物古迹，古钟钟架是大钟的主要支撑及受力系统，由于各种环境因素的影响，目前出现了腐蚀、虫蛀、开裂、掉皮等多种影响钟架的受力情形。此外，受到季节性温度、湿度变化影响，承重结构体必然会出现周期性的形变，为了全面把握钟架的形变情况，从而根据这些形变信息对钟架承重结构的安全性进行科学评估，决定开展钟架承重结构的形变监测。

2 作业流程

该项目变形监测工期较长，需进行多次重复性监测，并分期比对监测数据。实施步骤包括控制点的选取及埋设、控制测量、变形监测、数据分析及应用等，每一环节都必须按照规范化的操作来控制其成果质量，涉及的主要工作流程见图2所示。

根据要求，该监测项目需完成以下工作：

（1）建立室外永久性高精度控制点3～5个。

（2）建立室内地面临时控制标志若干，用于控制传递。

（3）建立三维激光测量用高精度控制网。

（4）通过高精度三维激光扫描技术获取待监控的梁和柱的相关数据。

（5）通过测量机器人获取永乐大钟表面特征点、线的控制参数。

（6）对影像进行处理，获取高精度三维模型，通过模型比较获得相应变形量。

（7）变形量比对及变形成果的整理输出。

3 控制点布设

该变形监测需先建立控制网，为保证网点稳定性，控制网应远离变形监测对象。该控制网布设在钟楼的南面，由5个点组成，形成一个扇形的网络，控制测量采用了高精度的测量机器人和电子水准仪，具体实施内容包括以下几个方面。

（1）控制点设置5个，用10～20cm长、直径为1～2cm的钢筋设置，顶部应有标示。

（2）用测量机器人测定边长和角度，用电子水准仪测定高程。

（3）采用自由设站后方交互设置临时转点TP，至少观测4～5个方向。

（4）变形监测方案一：F1、F2为实际变形监测点，无需设点，每次临时选设即可，该点三维坐标需通过临时转点获得，且至少通过2个方向转设而成，以便校验及取均值；通过F1、F2测定承重钟架底面变形点，每个底面设置3排点，横向宽度均分，纵向按间隔20～30cm采点即可。该监测方案是通过F1、F2和TP三个点将坐标传递到外面的控制网坐标体系中，因此这3个点每次都是临时选择，无需保留，但因每次传递都会增加误差，测量过程中务必精心操作。

（5）变形监测方案二：每期变形监测在扫描场景中设置若干个标靶，通过转点TP直接测定各标靶的三维坐标，这样可将不同时间测定的三维点云数据统一到室外的坐标控制网中，从而达到比对的目的，该方法具有更大的灵活性。

（6）控制网所有角度测2～3测回，边长对向观测，仪器高量测三个方向取均值，高程采用电子水准仪测2测回。

4 数据采集与处理

4.1 数据采集

数据采集重点在于保障不同时期测定的数据具有可比性，主要信息在于目标变形量的获取，对于其他数据要求不高，如纹理只起到辅助分析作用，因此，重点在于标靶的三维坐标获取。标靶在这里至关重要，它有两个主要功能，一是连接同一时期测量的多个测站，将其数据拼接在一起，见图3所示；另一个重要功能是实现坐标的统一，以实现不同时期的监测数据相互比对。因此，采集的数据包括标靶的三维坐标、扫描对象的影像和点云数据。

4.2 数据处理

扫描得到的“点云”成果是包含点的三维坐标及颜色属性的点集，如何将“点云”转化成三角网模型是点云处理和应用的关键。

（1）三维点云数据预处理。

检查数据的完整性和一致性，进行数据格式的规范化、点云过滤等操作。由于扫描现场工作环境复杂，尤其在施工现场有机械震动、人员走动、建构筑物遮挡、施工浮尘及扫描目标反射特性的不均匀等的影响，造成获取的点云数据存在不稳定点和噪音点，这些点是误差源，在后期处理中应将该数据取出，这个过程称为点云的过滤，它是数据预处理的一个重要过程，对数据结果有重要影响。

（2）点云数据的拼接。

点云数据拼接大致有两种方法，一是采取控制测量的方法，二是采取标靶配准的方法。拼接之前要确定一个统一的坐标系（此将常用的标靶作为统一坐标系），即将扫描的标靶的中心坐标的点作为拼接中的连接点和坐标转换的控制点，对扫描的标靶点云进行识别和拟合，在软件中进行同名标靶配准，精度控制在2mm左右。

（3）将点云转化成三角网模型。

根据上述处理结果，可以构建出扫描对象的三维模型（一般情況下表现为三维网格模型），这些模型没有纹理，只能表达其几何信息，所以称之为白模型。在此基础上进行进一步加工，将通过数码相机获得的高清晰影像映射到该模型上，即可获得与扫描对象对应的三维仿真模型，可将其视为现实世界相应物体在计算机中的模拟版本，其几何尺寸、纹理信息基本上和现实世界相应对象相同。

（4）贴纹理。

根据三角网模型和高清影像照片的若干特征点，经过图像变形矫正，将高清影像对应位置的彩色信息赋予三角网模型。根据纹理精度的要求，需要选定不同分辨率和不同角度的高清影像。

5 变形监测成果

该项目获得的主要成果包括原始点云、原始影像、控制网成果、标靶点坐标成果、季度分析及年度分析图表等。

在2015年5月、2015年11月、2016年2月和2016年5月分别对观测对象进行了4次独立的变形监测，获得了大量的点云及影像数据，变形量的提取有多种方式，两个连续时段的变形量反映的是连续性变化，跨时段反映的是一定时间间隔的形变累积量。此仅对第一次和最后一次进行跨时段分析，周期为1年，因此形变量分析分为季度变形量和年度变形量分析。

（1）季度变形量。

以2015年5月至2015年11月时段北部承重梁为例。北部承重梁整体结构98.86%的季度变形区间为[-0.026，0.036]，说明结构处于稳定状态。

（2）年度变形量。

年度变形量即2015年5月至2016年5月两时段的整体模型对比产生的变形量，以2015年5月至2016年5月时段北部承重梁为例。整体结构96.22%的年度变形区间为[-0.025，0.035]，说明结构处于稳定状态。

（3）承重梁纵横断面变形分析。

各观测时段的剖面线重合得很好，说明各时段间变形量极小，通过放大及图上量测发现，剖面线间最大竖向位移在0.2mm左右，得出和点云模型比对法相同的结论，即结构处于稳定状态。

6 结语

本文以某钟架进行的一次变形监测为例，研究三维激光扫描技术在变形监测中的应用，结论如下。

（1）论述了三维激光扫描技术的工作原理。

（2）以大钟寺变形监测工程为例，详细阐述该工程的控制点布设、观测方案、数据采集方法及监测成果。

（3）给出提高三维激光扫描数据成果精度的措施。

参考文献

[1] 赵庆阳.三维激光扫描仪数据采集系统研制[D].西安科技大学，2008（4）：1-58.

[2] 马晓泉.地面三维激光扫描技术及其在国内的应用现状[J].科技信息，2016（29）：74-75.

[3] 黄厚圣.地面三維激光扫描技术在文物保护中的应用研究[D].长安大学，2014.

[4] 倪曙，喜文飞，张鸣宇.三维激光扫描仪在变形监测中的研究与应用[J].甘肃科学学报，2013（2）：1-4.