三维激光扫描仪对古建筑的变形监测

焦琪琳　王瀚　李思远　魏歌颂　柳君妍

【摘要】与传统测量技术相比，三维激光扫描技术具有非接触性、速度快、密度高、精度高、穿透性强、自动化等特点。这种测量方法使得对建筑物的变形监测工作更简化，更易控制。简要介绍了三维激光扫描仪的工作原理，建筑物变形监测的内容和方法，以及数据的采集和处理。

【关键词】三维激光扫描技术古建筑变形监测点云

1  三维激光扫描仪的工作原理

三维激光扫描仪一般分为脉冲式、相位差式和三角测距式三维激光扫描仪，应用最为广泛的是脉冲式三维激光扫描仪。三维激光扫描系统主要分为激光测距和激光扫描系统，利用激光测距原理，通过扫描仪发射激光和脉冲在物体之间的往返时间来进行测距，对物体进行扫描，获取被扫描物体上大量点的三维坐标信息和扫描点的反射强度，最终对获取的所有坐标数据进行处理，得到点云数据，利用点云进行被测建筑物的三维建模，并对其进行变形分析。

扫描仪发射激光束，遇到被扫描物体后返回接收器，以此获取与被测点p之间的观测距离S，编码器同步测量每条光束横向角度α和纵向角度θ。扫描仪一般是以自身的坐标系，X轴在横向扫描面内，Y轴与X轴垂直并且在同一平面内，Z轴与X轴Y轴相互垂直（如图1）[1]。

由此可得被测目标点的坐标公式：

X=S×cos^θcos^α

Y=S×cos^θcos^α

Z=S×sin^θ

2  数据的采集

在数据采集之前需要用RTK测定多个控制点，用于架设测站。对古建筑进行数据采集，需要根据其周围具体的情况设置多个测站点、多个机位，以避免测量的数据不完整。设置测站的多少要依据古建筑的大小、形状、位置来确定，为了避免数据处理时点云的误差太大，要保证多个测站点对靶标的测量，这样很大程度的减少误差。测站点的距离设置适中，距离越远精度越差。在确保了精度的情况下，对古建筑的变形监测中我们主要需要获取的是变形数据，就是不同时间段的靶标的不同的三维坐标数据，根据靶标的数据把多的测站点的测量数据相联系在一起，形成一个整体，对比不同时间段的数据获取变形数据。数据采集需要采集的数据主要有标靶的三维坐标、建筑物的点云数据和影像数据。

3  数据的处理

通过三维激光扫描技术获取的点云数据量非常庞大，通过对点云的处理使其能转换成三维模型。由于扫描仪所使用的坐标系是以自身测站位置为坐标原点的独立坐标系，而大型建筑物往往是多个测站进行扫描，因此由扫描仪获取的多个点云图的点云坐标并非处于同一个坐标系下，需要转换成统一的坐标，以便于数据的处理。

3.1  点云去噪。因为数据采集时会包含一些无法预知的情况，比如扫描现场中有人员经过，有小鸟飞过，或者由于天气原因，空中有纸片、灰尘等，或者因为仪器本身存在的误差出现的高于房屋的点以及在地面以下的点，会导致观测的数据出现扫描对象表面以外的杂点，导致数据结果的不理想。因此要去除这些噪声点，以保证之后三维建模的精度。可利用Trimble Realworks处理软件进行点云去噪，去除与被扫描物体无关的噪声点。

3.2  点云拼接。使用三维激光扫描仪對古建筑物进行扫描的时候，一般要在建筑物的四周设站，使用扫描仪在多个测站进行扫描，以便得到完整全面的建筑物三维信息，三维激光扫描仪得到的多个测站的数据信息只能得到其扫描范围内的信息，整个建筑物的完整数据需要对多个站点的点云数据进行拼接。当被扫描物体太大时，视线的限制或者扫描现场过于复杂等各种原因的影响，可能会出现某一站作业不能完整被扫描场地或者物体的全面信息，因此需要从不同的角度、多个测站扫描的方法才能获得全面的信息，需将点云数据统一坐标系后进行点云拼接。

3.3  三维模型的建立。以上获取并处理后的点云数据可通过AutoCAD或者其他建模软件绘制建筑模型的平面图、立面图等，可以在计算机中构建出物体的三维模型，这些模型并没有与实际物体相对应的纹理，即没有色彩，只有物体的几何坐标数据。

3.4  贴纹理。贴纹理的目的是利用纹理色彩还原三维模型，使模型更为逼真。其原理就是使用实际拍摄的真彩色影像把纹理色彩映射在三维模型上，使三维模型更为贴合真实物体，从而依据模型进行多重分析，也可在其他可视化软件比如3DMAX中导入三维立体模型。

4  结束语

古建筑产生变形的原因是多种多样的，其变形监测的目的在于确保建筑物能够保持稳定结构，能够对其存在的安全隐患作出及时的预测，采取有效的预防措施。目前三维激光扫描技术已经广泛应用于变形监测，相比传统的测量方法，它具有一系列的优越性，为大型古建筑监测保护工作提供了有力的技术手段。

【参考文献】

[1]余明,丁辰,过静王君.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘科学,2004(05):69-70+5-6.

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[5]张远智,胡广洋,刘玉彤,王庆洲.基于工程应用的3维激光扫描系统[J].测绘通报,2002(01):34-36.

[6]李艳,宿勇军.三维激光扫描技术在古建筑园林建模与系统开发中的应用[J].测绘地理信息,2018,43(02):35-37.