安庆军 吴刚

摘要：随着我国经济的发展，我国的建筑业也得到了快速的发展，这就使得工程测量的服务领域也在不断的拓宽，这就使得，我国相对传统的坐标测量仪已经不能够满足测量精度较高的工程施工及检测的需要。而三维激光扫描技术由于其测量的精度相比较传统测量技术有极大的优势，所以在各给领域得到了广泛的应用，特别是在对建筑物的变形监测的应用中，本文就通过实例来对其方法进行了研究，希望为以后类似的工程提供一些参考。

关键词：三维激光；建筑变形；检测

中图分类号：TU74文献标识码： A

引言

目前，我国对于建筑物变形监测一般都是采用水准仪、GPS或全站仪观测，通过多次的观测数据进行对比分析，从而进行变形情况的评估，再提出一些安全性的建议，这就使得对于建筑物的整体变形的监测存在着一些遗漏。而三维激光扫描技术可以对建筑物进行全面且快速的激光扫描，迅速地获得大量的特征数据，从而对建筑物变形监测情况进行正确的评估。本文就通过实例来对三维激光扫描技术在建筑变形监测方法进行了一些分析，希望可以为以后同类的施工提供相应的参考。

一、三维激光扫描技术原理及特点

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术,是测绘领域GPS技术之后的又一次技术革命。它是由传统测绘计量技术经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展起来的,是对多种传统测绘技术的概括及一体化。

1、三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术是通过内部的激光脉冲发射器向目标物发射激光脉冲，反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫过被测目标，信号接收器接收来自目标体反射回来的激光脉冲,通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间，可以获得被扫描物体到扫描中心的距离,同时扫描控制模块控制和测量每个激光脉冲的水平扫描角和竖向扫描角，处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标(云点)。进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。

2、系统组成

三维激光扫描系统一般由三维激光扫描仪、数字照片成像设备、点云数据处理软件以及其他附加设备组成。扫描仪用来获取目标的三维数据，照片成像设备对目标的原始情况进行记录并可以参与对后期的虚拟模型修正，后处理软件对获得的点云数据进行读取和处理，如ILRIS3D扫描仪的Polyworks软件、Leica三维激光扫描仪的Cyclone后处理软件等，这些软件都可以对数据进行编辑、转换、拼接和三维建模。

3、三维激光扫描技术的特点

（1）高数据采样率

能高速获取大面积目标实体的空间信息。应用激光扫描测量技术进行目标实体空间三维信息的获取速度非常快,可以实时测定实体表面三维信息进而可以应用于形变监测等领域。

（2）非接触性

三维激光扫描系统，是通过发射脉冲信号和接收被测物体反射回来的脉冲信号，对目标表面的形态信息进行获取和量测的。因而此过程中不需要人为的接触到被测量的物体,这使得该技术可以广泛应用于危险领域和测绘人员不可达到位置的测量等。

（3）穿透性

激光具有穿透性，可以穿透一些不太紧密的遮挡物，到达建筑物的实体表面，从而瞬间就可以获取建筑物实体表面的大量点云信息,在通过这些点云的信息就可以描述出建筑物表面不同层面的几何信息。

（4）精度高，密度大的优点

激光扫描测量技术可以快速的获取大面积建筑物的空间信息，在通过对其进行直接的扫描来描述建筑物的特征，使用庞大的点阵和浓密的格网来获取目标信息采样点之间的间距很小。采用三维激光扫描技术能够快速、连续、自动地获取高精度、高密度的三维数据获得的三维点云具有广泛的应用性。

二、三维激光扫描技术在变形监测中的应用

1、工程概况

被监测建筑物为某园区内一幢砖混砌体结构办公楼，楼层数为四层楼高约15米。根据现场实际情况扫描需在职员办公期间完成,以避免人员行走频繁对点云数据完整性的影像。办公楼东侧为房屋密集区，无法进行架设仪器，故本次只针对办公楼的南、西、北三个立面进行扫描,分别在南、西、北三个方向布设3个变形监测点并保证无扫描盲区，最大限度地保证立面的数据完整性。

2、数据采集

本次扫描设备采用LeicaSca心taltonC10三维激光扫描仪,C10三维激光扫描仪是一款高速激光扫描拥有内置400万像素高清晰相机,300m的远距离扫描范围360°*270°(水平*垂直)的超大视场角,50000点/秒的超高速扫描速度全中文触摸式彩色操作界面赴外业的数据采集过程既简便高效又可获得项目需要的数据。CIO可以采用四种设站方式：（1）已知测站点和定向点坐标方式;（2）已知测站点坐标和定向方位角方式;（3）后方交会方式;（4）任意设站方式。本项目首次扫描采用第二种方式J段设1号观测点为已知测站点，2号观测点方向为定向方位。将扫描仪架设在1号观测点上，2号观测点为定向点，测得2号、3号观测点坐标并保存记录已备第二次进行扫描。 2号、3号测站点的扫描就可以采用第一种设站方式,这样3站扫描获得的数据就在一个独立的坐标系中,避免了内业点云拼接的步骤提高了工作效率。扫描采用中等密度采集方式进行全景扫描(100米处每隔0.1米采集一点)满足了变形监测的需要。

3、数据处理

（1）点云去噪

在数据采集中,由于车辆、行人、树木等因素的影响，我们采集到了很多无用的数据，这些数据称作噪声数据，将这些数据的剔除过程叫做数据滤波。噪声数据与有用数据点云的区别在于噪声数据是不连续的、无规律的、比较稀疏而杂乱,利用这一特点可以将噪声数据剔除。例如办公楼南面的几棵大树外墙上的空调等。这些数据都会影响到最后的分析成果所以必须去除。

（2）点云切割

本项目为方便数据分析以及后期成果输出的效果以办公楼单个外立面为单位进行分析比对,所以需对去噪后的点云进行切割获得单面的点云数据。

（3）数据分析

数据分析是利用检测软件GeomagicQllahfy对前后两期扫描获得的点云数据进行对比分析,两期同一扫描面中相同位置之间点云的位移,即可视为两个时期的变形量并创建出三维彩色偏差图来量化两者之间的结果偏差。

4、建筑物监测后的结论

在变形监测中，常规观测方法是基于点的测量得到的变形点的变形，起伏较大，而三维激光扫描方法是基于面的测量，测量出的平均变形量起伏较为平缓 ，更能反映出目标建筑整体的变形情况。采用三维激光扫描技术对建筑物进行变形监测在保证一定扫描距离和点云密度的条件下,数据处理结果能够满足变形监测的要求。其主要优点是可以一次快速、完整全方位采集建筑物的表面数据加快了数据采集速度胆也存在着一些问题。

（1）由于现场情况比较复杂利用三维激光扫描仪进行数据采集时不可避免地存在测量“死角”例如在办公楼北面有树木遮档未能获得办公楼北面墙完整的点云数据对点云数据数据分析产生一定的影响。

（2）在点云去噪时采用的是人工去噪的方式肩可能会把正确的点云删除。尤其是在墙面上的电线和门窗等,这些点云数据紧贴着墙面很难根据噪点数据的非连续性、离散性等特性删除,增加了去噪的难度和工作的效率使数据分析精度受到影像。

（3）将三维激光扫描技术应用于建筑物变形监测领域,具有良好的应用前景和可行性。

结束语

综上所述，三维激光扫描技术在建筑变形监测中得到了良好的应用，虽然在应该的过程中还是存在着一些问题，但是随着我国科学技术的不断进步，三维激光扫描技术一定会得到良好的发展，从而不断完善对建筑变形监测的方法，进一步的推动我国经济大发展。

参考文献

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