三维激光扫描技术在墙面倾斜度测量中的应用研究

相祥,钱栋,尹纯龙,相虎,张显如

(1.江苏苏州地质工程勘察院,江苏 苏州 215129; 2.昆山市文杰市政工程有限公司,江苏 苏州 215300)

0 引 言

高层或高耸建筑物,如高层建筑物、公共基础设施等,由于受到当时设计缺陷、建造材料不够坚固耐用或者地下水过度开采、地震、黄土湿陷等综合因素影响,大都产生一定倾斜,当倾斜达到一定程度时,给人民生命财产造成较大威胁,因此必须对其进行倾斜观测或不均匀沉降观测。倾斜度是衡量施工技术质量和后期建筑物安全维护的重要指标,如何快速准确测量塔类建筑物倾斜度一直都是变形观测领域的研究热点。传统的建筑物倾斜度测量以经纬仪垂直投影法和全站仪交会法为主,这两种方法都仅仅对建筑物的某些特征角点或者特征部位进行测量,通过特征角度或者部位来反映建筑物整体倾斜量,存在较大的偶然性和误差,此外常规方法还存在外业时间长,观测方法复杂,内业计算烦琐等方面的局限性[1-2]。

随着三维激光扫描技术的不断成熟,其具有快速、精准、完整、自动获取等优点,为建筑物外立面测量工作提供了一种更新、更快、更便捷的测量作业方式,通过该技术对建筑物进行无接触扫描获得目标建筑物点云数据,再通过点云数据预处理和模型重建即可获得建筑物立面图,很好地弥补了传统测绘方法获取的单点数据不够直观和完整方面的不足。目前应用三维激光扫描技术做建筑物倾斜监测时,主要还是横断面提取中心轴,通过中心轴线与基准面倾斜角来计算整体倾斜量,但是这种方法对建筑物要求较高,如果建筑物上附属设施较多,必然会影响中心线的拟合精度,进而影响倾斜角计算结果。本文提出一种墙面点云拟合的建筑物倾斜监测数据处理方案,并以某工程案例为研究对象,应用三维激光扫描技术,采集建筑物点云数据进行倾斜量计算,最后将计算结果与传统监测倾斜量进行对比,计算结果显示,该处理方法对建筑物倾斜监测具有可行性和工程实际意义[3]。

1 相关理论基础

1.1 三维激光扫描理论基础

三维激光扫描系统坐标原点位于扫描仪相位中心,X轴在横向扫描面内,Y轴在横向扫描面内与X轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直。首先发射器发出一个激光脉冲信号,内部控制系统旋转反射镜,激光脉冲经物体表面漫反射后,沿几乎相同的路径反向传回到接收器,内部计算系统通过脉冲发出和接收时间,得到目标点到相位中心距离S,再结合脉冲发出时扫描仪水平和竖直方向旋转角α、θ,最后通过坐标正算和校正,获得P点坐标[4],坐标原理如图1所示:

图1 三维激光扫描测量点坐标原理

1.2 拟合中心轴法计算原理

图2 建筑物偏差计算示意图

2 测区概况及点云数据处理

2.1 测区概况

待测目标为位于某市主城区的某一老式建筑楼,该建筑楼建于20世纪80年代末,距今已有40余年历史,建筑物长 54 m,宽 12.5 m,高 20 m,共有7层。近期持续强降水外加建筑物 100 m处有一大型地上工程,可能对建筑物结构产生一定影响。因此需要对建筑物进行测绘工作,以便为改造修缮提供完整、可靠的数据基础,如形变度超过相关规范,需提前做好预警和住户搬离工作。在利用常规测量手段进行监测任务时发现建筑物整体较高、附属物较多,加上周围人员活动频繁,因此传统测量手段测量施工难度较大,因此采用三维激光扫描技术来进行墙面倾斜度测量工作。

2.2 外业数据采集及预处理

本文基于三维激光扫描进行墙面倾斜度分析,整体流程主要包括外业数据采集、内业数据处理和倾斜度分析,外业数据采集包括扫描路线设计、靶标布设、三维激光扫描仪架设、扫描参数设置、目标区域点云数据采集等;内业数据预处理包括点云数据配准和点云滤波;倾斜度分析主要包括墙体点云分割、墙面点云数据拟合和倾斜角测量等。整体技术流程如图3所示:

图3 整体技术流程

建筑物共7层整体较高,墙面顶部和底部以及附属物(空调、管道、窗户等)遮挡部分都是扫描盲区,极易造成点云数据缺失,为保证外业采集人员和仪器安全、以及点云数据的完整性,减少不必要的补测和重复测量,外业数据采集时采用闭合“环形”路线采集方案,并且扫描仪尽量进行高低、远近交错设站,本项目共布设9站测站,通过“环形”路线采集方案,可以保证建筑物墙面数据采集的完整性。为保证墙面复杂区域数据采集的完整性,本项目还借助了BLK360三脚架,通过升降脚架将扫描仪升至理想高度,增加扫描仪扫描视角。内业计划通过靶标球方式进行拼接,因此外业数据采集时,靶标球需要在雕塑周围进行布设,并且保证不得有三个及以上靶标球共线或者共高。

点云数据预处理包括点云配准、点云裁剪、点云去噪和点云抽稀。根据外业布设靶标球情况,内业采用靶标拟合方式进行建筑物点云拼接;而外业作业过程中非目标点云数据如行人、绿植等有可能被采集,因此内业需要将不属于不规则实体部分“裁剪”掉;在点云精简上,由于项目组计算机配置较高,而后期需要进行点云拟合操作,因此预处理中不对点云数据进行精简操作。预处理后的点云数据如图4所示。

图4 预处理后的建筑物点云数据

3 建筑物倾斜监测分析

3.1 建筑物墙面分割

不同于利用重心法从整体角度对房屋的倾角进行了分析,本文主要对建筑物四面墙体的倾角进行研究,对外业获取的墙体点云数据进行详细分析。因此首先需要分割出东墙、西墙、南墙和北墙,并且为提高结果精度,还需要对附属物如窗户、下水管等进行“分割”处理,只保留完整的四面墙体点云数据。

3.2 建筑物墙面拟合

在计算垂直度之前,首先得对各面的点云数据进行平面拟合,通过测量拟合的平面与基准面的夹角来计算该墙面的垂直度。本次平面拟合采用的是geomagic qualify软件进行的,其拟合的原理就是基于最小二乘原理的平面拟合,以东墙和南墙的点云拟合结果为例,选择“特征”工具栏下的“平面—最佳拟合”功能,选择需要拟合的墙面区域,拟合后的偏差色差图如图5所示,可以看出两个墙面的偏差色谱图的颜色都很一致,说明墙体表面大部分都很平整[5]。

图5 东、南墙面点云拟合偏差色谱图

3.3 墙面倾斜角测量

本文是采用扫描仪在扫描时建立的坐标系的XY平面为本次测量的基准面,墙面点云数据拟合完成后,选择“分析”工具栏下的“3D尺寸—测量角度偏差”测量墙面与基准面间夹角,再根据墙面高度根据夹角公式计算墙体最大倾斜量,以西面和北面墙为例,测量的结果如图6所示[5]。

图6 墙面倾斜角度测量结果

测量和计算结果整理后如表1所示:

表1 各面墙量测结果

由表1可知该建筑物的整体向东南方向倾斜,该建筑物四个墙面的倾斜度都不一样,北面墙偏移距离不到 1 cm,东面和南面墙偏移距离在 5 cm左右,西面墙偏移较大,偏移距离接近 10 cm,可能存在沉降风险。

4 精度对比分析

为验证本文方法的可行性,本文采用经纬仪前方交会常规测量法测量建筑物墙面倾斜度,选择建筑物角线上的两个处于同一铅垂线的两个点,在建筑物不远布设两个已知的控制点,在控制点上架设测站分别对处于铅垂线上两个点进行测量,最后根据前方交会计算公式计算偏移量,两种方向进行测量结果比较如表2所示[6]:

表2 与传统方法对比结果

从表2可以看出,两种方法所得结果偏差值相差比较小,采用t检验法对结果进行检验。取偏差值为样本计算t值。最终可得t=1.027,通过查表得t0.05,即两种方法所得结果具有高度一致性,可以认为本文方法能够满足建筑物倾斜形变分析要求。

5 结 语

本文依托实际工程案例,基于三维激光扫描技术进行垂直度测量,应用平面拟合法对建筑物墙面的倾斜度进行测量分析,通过每一面墙的倾斜情况来反映建筑物倾斜情况,并与常规全站仪测量的方法测量结果进行对比,研究结果表明该方法具有较好的置信度。但需要注意的是当建筑物墙体上有大量的附属物或者墙体为曲面结构时,采用平面拟合的方法不太适用。