三维激光扫描仪在建筑物变形监测中的应用

朱业来 山东至远地理信息工程有限公司

刘艳亮 王 斌 山东瑞鑫地理信息工程有限公司

1 前言

国内外学者相继对三维激光扫描技术进行了深入研究，同时也引起了人们对三维激光扫描仪在变形监测应用中的高度关注。这种近几年才在工程还有中发展起来的新型测量仪器，可以对目标物体快速仿造出实体模型和各类地图的实际数据，比如直线、曲面和体积，可以准确得到目标物体监测的大量数据点，因此成为测量科学技术领域的一个重大突破。本文在现有研究的基础上，探究了三维激光扫描仪在建筑物变形领域中的应用，凸显了三维激光扫描仪对建筑物变形监测的成果，并且已经通过工程实例得以证明。

日常工作中人们已知的传统测量仪器主要包括全站仪和GPS，它们测量目标物体会得出二维图形。而在技术快速发展的今天，数据化测量技术给人们带来了巨大的好处，如三维激光扫描仪，它不仅改变了传统测量技术的二维数据，而且直观地显示了目标物体的三维或三维效果图，并且还会把变形区域用不同的颜色表示出来，真实还原目标物体[1]。给人的真实感是其他仪器无法实现的。在使用三维激光扫描仪对建筑物进行变形监测的时候，能够完整全面的检测到建筑各个区域的监测点，这从根本上克服了传统测量仪器在建筑变形监测过程中必须采用离散点的局限。

2 三维激光扫描技术原理概述

三维激光扫描技术是一种新的测绘技术，是继GPS技术之后测绘行业的又一重大创新。此外，它源于传统的测量技术，集成了各种高精度传感技术和高科技技能，是对传统测绘技术的高度总结和综合利用。

三维激光扫描仪的基本工作原理为：通过使用内置的脉冲发射器，对目标物体产生脉冲激光而实现检测目的，借助于被探测目标的反射器技术和信号接收器，利用光的反射原理以及到仪器的折反时间，可以直观地计算出被扫描物体与中心的距离。此外，还可以同时测量每个脉冲激光的纵向和横向扫描方向之间的角度，然后通过应用软件进行计算和分析，便能知道监测物的三维空间位置坐标，进而形成了三维空间模型以及三维空间坐标。

3 三维激光扫描仪的应用领域

随着时间的推移，国内3D技术不断成熟，目前在建筑工程领域中的应用已经非常娴熟了。而三维激光扫描仪便是其中的技术代表，到目前为止，三维激光扫描仪技术已经在工程行业、结构行业、娱乐行业、采矿行业还有建筑行业中有了一定的使用范畴，测量的内容主要分为：道路测量、地质测量、桥梁测量、建筑物的变形等类型的相关测量；对结构体的尺寸、面积、坐标等这些都属于结构测量，比如对线路、管道实施改建时的相关测量，又或者对相关机械设备进行检测也都属于结构测量；采矿方面是对某些露天的地方，井下危险的地方用三维激光扫描仪进行扫描，像溶洞之类的；在娱乐方面则侧重于制作3D电影、研发3D 游戏以及一些虚构的设计，诸如博物馆等。

4 三维激光扫描仪在建筑物变形监测中优势与应用现状

4.1 应用于建筑物变形监测的优势

变形监测技术的特点是精度高、即时性和等精度观测，而三维激光扫描技术的特征刚好与之吻和，其在工作中，不需要预先铺设监测点、不需要和被监测物体进行直接接触，且有极快的监测速度，高密度的点云数据，可以更精确地显现出被监测物体的变形走向等。

4.2 无需埋设监测点

利用三维激光扫描技术对监测物体进行测量时，收到的点云信息面积较大、密度较高，可实现利用变形物体的表面、形体结构等特征代替设定点进行监测（比如建筑物、长期存在于地面的物体或者岩石结构的表面）。

4.3 监测速度快

激光的取样点速度每秒可达几千乃至几万，是传统测量方法无法与之相比的，能极大地提高监测范围内的数据收集效率。

4.4 无接触

三维激光扫描仪进行测量时，并不需要和被检测物质进行直接接触，仅利用主动发出的激光和回波的信息便可以直观地获取物体表面的三维坐标位置，因此能够克服在高陡危岩、危险性较大的滑坡变形体时，因不能准确到达所布点的地方，而无法收集到测量信息的问题，从而有效地保障了工作人员的安全性。

4.5 整体监测

监测数据拥有密度较高的面式收集、多方位的观测点，使用监测数据可以断定建筑物变形结构体的完整表面状况，仿造出与建筑物结构体相同的三维模型，以供工作人员分件位移的走向，这一技术有效规避了传统监测方法测量的变形结果中，表述出的局部与片面性方面的弱点。

4.6 大数据采样

对监测物体使用三维激光扫描技术进行测量时，可快速得到目标物体大量的空间信息，三维激光扫描技术可以快速获取被监测目标的三维空间信息数据，而且能够对被监测物体的三维空间信息进行动态检测，所以，其被广泛应用于建筑物的变形监测工作中。

4.7 动态实时性

三维激光扫描内控系统可以独立传输激光信号，并对反射棱镜发回的信号进行分析，从而获得被检测目标的数据信息。这种测量方法不会受到外部空气压力和阳光等条件的影响，在一天中的任何时间段都可以进行实时监测。

4.8 穿透性

激光本来就具备一定水平的穿透力，能够直接穿过一些生长不太严密的植被，顺利到达被监测物体的表面，获得大量的点云数据只需要几分钟，而且还能够精准地描绘出被监测物体的各个层面的几何信息。

4.9 应用现状

近年来，中国国内的科学研究人员与技术生产工作者运用三维激光扫描方法，在形变检测领域中进行了大量科研与生产实践，内容涵盖了多个产业应用领域，如建筑、铁路隧道、桥梁、矿井、崩滑地质灾害等。这些研究成果和应用重点主要集中在检测方法、信息处理、三维造型、结果获取与大数据分析等方面，该技术的精度及其在应用中所要求或实现的精确度，都是实际工程中必须面临的重要问题。

5 三维激光扫描仪在建筑物变形监测中的相关问题

5.1 监测成果“精度”

三维激光扫描技术的高精度出现在很多学术论文中，虽然它表面上可以对监测物体做到高精度监测，但其实使用三维激光扫描技术进行测量时，必须在特定的条件支持下才可以实施，就好像不能分开评价它的技术特点和优势一样，其重点针对的是监测物体表面模型的完整性。由于激光扫描采样技术点的距离极小，从而得到的点云密度非常高，而且还不断向真实物体的表面逼近，它拥有一体性的观点，被人们认为检测到的准确度非常高。

把它与邻近点间距的精度相比较，哪怕人们通过许多试验证实它的准确度超过了毫米级别，但在实际应用中，许多不确定因素仍会对三维激光扫描仪产生一定影响，导致监测结果的精度受限于其自身的精度、周围复杂环境的限制，包括它自身的测角精度、测距精度、测距间距的远近、被监测物体表面不平整、激光信号的反射强度、效率、入射的角度等因素，都会导致监测结果的不准确，甚至累计的单点误差值达到厘米级别甚至更低，所以达不到对建筑物变形的精密监测要求。监测工作范围较广，却因为监测对象和专业部门不同，其主要监测的目的也会不一样，对其监测结果的准精度、认识程度与要求也当然不同[2]。不管是出于哪种监测目的，或者综合分析、补充高精度传统单点的监测结果，其准确度以及能否达到工程监测的要求都显得尤为重要。在实际工作中，要着重关注提高准确度的问题，并通过相应的方法予以补偿，从而真正达到工程监测的需求。

5.2 优选合适的扫描仪

监测精度一般会依据被监测物体的草皮掩盖率、地表倾斜度、重要性与损毁程度和稳定性状况来判断，并根据现场的地质要求和监测范围，选择主要技术指标较好的仪器，尽可能选择较短的距离进行测量，对面积比较大的地方必须分开进行。

各阶段监测的扫描仪与标准布置的计划目标执行一致以实现标准的统一，将扫描仪架设在固定的观测地点，尽可能让激光垂直投射到目标物体上，保持一致的重叠度、测量距度以及采样点之间的间距。利用监测目标物体的突出特征，对代替了单个变形监测点的区域进行更精细的扫描，以此实现和拟合精确度同样高的目的。

5.3 点云数据利用问题

三维激光扫描仪将发射的激光投射到物体上，然后将其反射回来，以此获得大量离散点，从而产生原始点的云数据，包括一些不均衡、噪声点等冗余信号，对监测工作及后续监测信号提取和分析没有实用价值，因此必须作出正确的归类取舍。

监测与地形等其他测量工作不一样，建议先将数据分类再应用到点云数据中，大概分为：草皮及异常点、目标物体表现点和地物体特征点等几类；草皮及异常点这类数据与监测工作毫不相关，可以直接除去；目标物体地表表面点、地表表面固定物（如建筑物）本身就持有特征性能的点或者对监测效率有价值的点，这些都可用作点、线、面的处理成果或提供的信息中，应该留存。

5.4 技术标准缺失

三维激光扫描技术不仅改变了传统监测技术一定程度上的结构性质，还广泛应用到各种监测领域中，特别是对于道路高陡、危险的地方，以及工作人员不能到达的容易出现崩滑的危险地段，不能有效定向布控监测点，或在临界区域不能顺利开展应急工作的以及工作进行中迫切需要统一技术指标、确定工作方法和精度要求的，一些控制质量的管理统一规范体系[3]。新技术标准因为使用范围广而突显出不少的新问题，因此需要迅速形成符合最新技术标准的质量监测规程，以及规范性技术标准系统，以保证新技术标准执行管之有度、控之有方，并做到对该新技术标准监测有规可循、经济合理，以保证在工程建设与运营维持方面起到关键性的作用。

6 三维激光扫描仪在建筑物变形监测应用中的实际案例分析

单点定位在实际使用过程中的准确度并不高，它只符合一般建筑工程的地质测量要求。然而，对于建筑物变形监测与要求的精度仍有一定的差异。利用三维激光扫描技术，可以快速获取建筑结构扫描结果的高密度点云数据，并且形成模型，因为建筑物本来就是一个整体，所以利用点云数据模型，能够获得建筑的特征线，并通过这段特征线判断建筑物有无发生改变。

6.1 布置监测点并采集数据

在采空区上方有一个正在创建的煤化工施工项目，为更好地控制焦炉的变形状态，因此设置了八个独立的变形监测点，确定其是否符合建设的标准。选取GX200 扫描仪完成数据收集工作，在这项工作过程中，需要在每个监测点都设置扫描仪，并对扫描仪视线范围内的建筑物进行扫描。要得到更详细、全面的焦炉内部结构数据，首选40mm×40mm分辨率开始进行扫描。在扫描过程中，由于每个数据都是独立存在的，因此有必要最大限度地扩大两个站点扫描内容的重叠，可以方便后期云点的拼接。

6.2 数据处理

要使用Trimble Real Works Survey Advanced 处理软件，处理所采集到的点云数据。因为二次数据扫描过程都是独立完成的，所以对采集到的数据必须进行坐标匹配，当点云匹配程序完成后，还要继续实行去噪处理。利用上述数据处理，就能够得到可靠完整的点云数据。焦炉本身的结构十分复杂而且体型又较大，所以如果通过焦炉数据对建筑物结构进行变形分析时，就会造成效率变低、而数据的处理速度很慢，甚至出现数量很多的情况。又由于焦炉结构所采用的都是钢体，局部和总体的变化效果都是相同的，所以，只要对焦炉特征明显部分的变化加以提取和分解，就能够获得更高效率的准确结论。

6.3 结果分析

通过对精确计算得出的变形倾斜的数值加以分析，便能够明确发现如果变形倾斜具有统一性，所计算的平均数值便能够视为建筑物的倾斜变化量，该变化量在数值体现上可能是正数也可能是负数。如果数值的大小不一样，有必要从误差理论的角度分析建筑物，讨论其结构是否出现变形。

如果从错误理论的角度来分析，可以发现是偶然误差，换句话说，偏差的符号和大小是偶然的。如果从单项偏差的视角分析，每列中的偏差符号和大小没有规则可循，不过，相对大量偏差总数据而言，也可以在一定程度上找到数据的规律。以此得出结论，建筑物没有发生变形、倾斜的情况，而变形偏斜值也是因为观测误差带来的。

7 结束语

三维激光扫描技术的领先，完全解决了传统测量方法对建筑物变形固定式监测的片面性，可以在很短的时间内，利用扫描技术，获得足够准确的点云数据，从而搞定了建筑物变形、倾斜监测的基本要求。而且还对点云数据实行了数据分类处理，使建筑物的局部乃至整个构体的相关变形数据都可直接显现出来。不过，如果要对时间段不同的建筑物重新建立模型同时比较研究，就必须建立精确度高的三维模型。这项技术在这一方面还有很多上升空间。将传统监测技巧和三维激光扫描技术融入实际工作中，在发挥它们各自优点的同时还可以创造更好的效果。