三维激光扫描技术在建(构)筑物倾斜测量中的应用

陈 朋，谭晔汶

(1.浙江省地矿勘察院有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州 310000)

0 引 言

在建(构)筑物的施工和运营过程中，由于地质条件和土壤性质的不同，地下水位和大气温度的变化，建筑物载荷和外部作用的影响，导致建(构)筑物随时间发生的沉降、位移、挠曲、倾斜及裂缝，统称为“变形”。这种变形超过一定的范围就会影响建(构)筑物的正常使用，因此需要对建(构)筑物进行变形观测，而倾斜观测又是最常见的一种变形观测[1]。

传统倾建(构)筑物倾斜测量可通过经纬仪、全站仪等进行，这些方法受仪器精度和现场条件的限制，观测精度较低。三维激光扫描技术是近年才逐步发展起来的一项新技术，可为建(构)筑物检测提供新的技术手段，弥补传统观测方法的许多不足。

本文借助徕卡三维激光扫描仪ScanStation C10及其配套处理软件，介绍三维激光扫描技术的建(构)筑物倾斜测量的基本原理，并通过实例说明该方法的可靠性。

1 数据采集与预处理

1.1 数据采集

地面三维激光扫描在作业之前要制定测量计划，具体工作包括实地踏勘、制定观测方案、控制测量、配准方案和三维激光扫描测量等步骤[2-3]。

(1)实地踏勘和制定观测方案。扫描作业前首先要到现场进行实地踏勘，根据扫描作业要求及建筑物的形态特征和空间分布确定扫描站点、标靶、控制点位置，制定详细的作业方案。

(2)控制测量和配准方案。当测区较大时，传递配准次数增多，配准误差会呈线性趋势放大并难以定量评估，为了保证配准后的整体点云精度满足作业要求，需要测定一系列控制点的平面与高程，建立测量控制网，以限制配准误差的传递。当测区较小时，测站较少，配准误差能得到较好的控制，可不建立控制网。

(3)三维激光扫描测量：测站选择要充分考虑现场多种因素的影响，如振动、施工、遮挡等情况。在设站的同时也要充分做好人员及设备的安全保障，发现设站的位置存在以上影响因素时应及时进行调整。架站后设定扫描仪的各项参数进行扫描，对局部特征部位需进行精细扫描。

1.2 数据预处理

三维激光扫描外业数据采集完毕后，要进行预处理，点云的预处理包括配准、去噪和压缩[4-5]。

(1)配准。在局部小区域范围内，使用标靶法拼接，即利用相邻测站间至少有3个及以上的公共标靶用于计算坐标旋转矩阵，将各个测站点云的坐标转换到基准站坐标系下，为了保证拼接的精度，连续传递配准次数不超过4次。范围较大时，须通过控制网将各站点云转换到大地坐标或者在局部坐标系下，实现点云配准。

(2)去噪。由于外界环境的影响和仪器自身原因，点云数据中会包含部分非目标点云，需要先将这部分点云剔除，包括一些离散的噪点、行人、车辆和一些孤立点等。

(3)压缩。由于相邻测站点云会有重叠，且地面三维激光扫描仪激光是以仪器为中心向四周发散，距离仪器越近点云的密度越大，远超过实际需要。因此，在满足需要的前提下，需对点云进行压缩，减少点云数据量，提高点云处理速度。

2 三维激光扫描在建(构)筑物检测中的应用

2.1 基于三维激光扫描的规则建筑物倾斜测量

2.1.1 建筑物特征线提取方法

对于规则的多层或者高层建筑物倾斜值，可通过测量建筑物棱线获得，首先要通过点云特征线提取算法获取建筑物特征线，然后再截取建筑物棱线，通过拟合空间直线求取棱线的倾斜。

图1 点到平面的距离

(1)

图2 特征点到平面的距离

对所有点云进行逐点判断，从而完成特征线点云的提取。

2.1.2 倾斜测量方法

根据上述特征线提取方法获取建筑物特征线的线状点云数据后，采用最小二乘算法拟合空间直线，并得到该空间直线的方向向量Vline1=(vx,vy,vz)，进一步计算特征线的倾斜，倾斜按公式(2)计算。

(2)

2.1.3 工程实例

某建筑物，需对其进行变形监测，包含建筑物倾斜测量。由于该建筑物地处闹市区，周围建筑密集，局部立面无法采用全站仪进行倾斜测量，故采用三维激光扫描仪对其进行扫描，点云预处理后，获得建筑物外立面完整点云。

选取部分点云，采用上述特特征线提取方法，得到墙角特征线，如图3和图4所示。

图3 西南角点云

图4 点云特征线

人机交互选取建筑物棱线，拟合空间直线求取该棱线的倾斜，得到空间直线的方向向量为(-0.050 2，0.022 9，4.553 1)，因此可得该棱线倾斜值为0.012 3。与全站仪测量结果对比，对比结果如表1所示。

表1 倾斜值对比

从表中对比数据可以得出：通过特征线拟合的方法求得的倾斜值与常规测量结果基本一致，说明该方法可用于建筑物的倾斜测量。

2.2 基于三维激光扫描的柱状构筑物倾斜测量

2.2.1 倾斜测量方法

对于柱状构筑物的倾斜，通常采用全站仪获取离散点坐标，进而分析形变。但由于部分建构筑物较高，周边建筑物影响等，外业测量困难且难以完整的反映变形。因此，可通过三维激光扫描仪获取柱状构筑物表面高密度、高精度的点云，然后对不同高度点云进行剖切，将各层点云的中心拟合为空间直线，根据直线的斜率分析其倾斜。具体步骤如下：

(1)获取完整的柱状点云，并进行去噪、压缩等预处理。

(2)选取合适的间距和厚度，沿Z轴对柱状点云进行切片，并对每个切片点云数据进行最小二乘拟合成圆，得出圆心坐标。

(3)对于不同高度处的倾斜，可根据各层圆心与底层圆心坐标差值计算；对于柱状构筑物的整体倾斜，可采用2.1节中的方法将各层圆心拟合成空间直线，作为该柱的中心线，根据中心线的斜率分析该柱的整体倾斜状况。

2.2.2 工程实例

如图5所示，某工厂内一高达43 m左右的烟囱，现需要测量其倾斜，评估其安全性。由于烟囱较高且周边建筑物较多，使用传统测量方法无法完成倾斜测量。因烟囱属于圆柱状构筑物，故采用三维激光扫描，获取烟囱外表面完整点云，通过上述柱状构筑物倾斜测量方法完成烟囱倾斜测量。如图6(a)为烟囱完整点云模型。

图5 烟囱

图6 烟囱点云

从烟囱底面点云开始，每隔2 m进行切片，切片厚度为0.005 m，共获得20层点云，如图6(b)所示。通过对各分层点云的拟合可得圆心坐标、平均高程和拟合圆半径，并计算各分层与底层圆心坐标的差值Δx、Δy，进一步得到该高度处的倾斜值。单层点云拟合情况如图6(c)所示，每层点云拟合信息和不同高度倾斜情况如表2所示。

表2 分层拟合圆信息

根据20个分层圆心点的三维坐标，采用最小二乘算法拟合空间直线，如图6(d)，得到空间直线的方向向量为(-0.062 9，-0.161 8，47.000 5)，因此可得烟囱整体倾斜值为0.003 7。

3 结 语

本文利用三维激光扫描仪获取建(构)筑物表面点云，通过算法完成规则建筑物和柱状构筑物的倾斜计算。实验结果表明，地面三维激光扫描技术能满足建(构)筑物倾斜测量的要求，且与常规测量方法相比，具有数据丰富、受现场条件约束较小的优势。