三维激光扫描仪在建筑物变形监测中的应用
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【摘要】近年来，建筑工程技术迅猛发展，各种建筑物被设计得越来越高，有些建筑物甚至被规划设计到了千米以上的高度。对建筑物实施变形监测，不仅可以有效检定工程项目的质量，还可以有力保障建筑物的安全运营。传统测量仪器无法触及高耸型建筑物的高处，很难开展施测工作。本文主要介绍了三维激光扫描仪在高耸型建筑物变形监测中的应用，证明了三维激光扫描是一种精度可靠的可行方法。
【关键词】三维激光扫描;建筑物;变形监测
1.三维激光扫描技术原理概述
三维激光扫描是一种新发展的测绘技术，是继GPS技术之后测绘领域的又一伟大发明。同时，它也是从传统测量技术发展而来，对各种精密传感技术以及高科技手段进行了整合，是对传统多种测绘技术的高度概括以及综合运用。
三维激光扫描主要是利用内部的脉冲发射器对着被监测目标发射脉冲激光，通过反光镜旋转，将已经发射出的激光直接扫过被监测目标的信号接收器，从而接受来自被监测目标反射回来的激光，利用激光脉冲从发射到被监测目标表面并返回到仪器中的时间，可以直接测算出被监测物体与扫描中心之间的距离。与此同时，还可以计算出每一个激光脉冲的纵向以及横向扫描角度，经过软件计算分析后，得出被监测建筑物的三维坐标，从而转换为三维模型或者三维空间坐标[1]。
2.三维激光扫描的优势
2.1大数据采样
三维激光扫描可以快速获得大面积被监测物体的空间信息，使用该技术能以极快的速度获取被监测物体的三维信息，甚至可以达到对实体的三维信息进行实时动态监测的程度，因此，可以将其运用到建筑物形变监测之中。
2.2动态实时性
三维激光扫描内部系统可以主动发射激光信号，通过对反射棱镜发射回来的信号进行分析，进而获得被监测目标的数据信息，这种测量方法不受气压、光照等外界环境限制，可以在全天的任意时间段进行实时监测[2]。
2.3非接触性
三维激光扫描系统主要是利用脉冲信号的发射以及对被监测物体反射回的脉冲信号进行分析，从而获取被监测物体的外部形态信息。在一系列的过程中，都不需要人工接触被监测物体，这种优势可以将此种技术直接应用在危险区域或者工作人员无法凭借自身力量达到的地方。
2.4穿透性
激光自身具备一定程度的穿透性，可以直接穿透不太茂盛的植被，直接到达被检测物体的表面，在短时间之内获取大量点云数据，该信息可以对被监测物体在不同层次的几何信息进行有效描述。
2.5精度高、密度大
激光扫描测量可以快速获得较大面积的被监测目标的空间信息，对被监测目标直接进行扫描，从而对目标特征进行描述。它主要运用浓密的网格以及庞大的点阵获取目标信息，所以每个采样点之间的距离都很小。
3.单点定位精度的探究
扫描仪的单点定位精度的高低将直接决定其应用范围，以Trimble GX200扫描仪举例，对仪器的实际观测精度以及标称精度进行分析，可以为三维激光扫描仪的实际运用提供有力支撑。
GX200扫描仪是镜面扫描仪的一种，由马达电子驱动器件、角圆码盘、驱动马达、多角镜面转轮以及测距模块等元素组成。GX200扫描仪如若搭配使用双轴补偿技术，便会将扫描仪变得像测绘仪器一般在一个已經定位好的坐标之中开展工作，可以将扫描到的所有场景通过坐标进行拼合，高效且精准[3]。
对GX200扫描仪开展单点定位精度的检验时，检验方案是对同一目标运用扫描仪进行反复测量，利用多次获得的数据对其开展精度的计算。这种检验方案可以有效得出扫描仪本身的测量精度以及测量稳定性，与此同时，还可以与扫描仪厂家提供的标称精度进行对比，判断扫描仪精度是否满足需求。
具体实验操作方法如图1所示，测量距离分别是50m与100m。通过测量距离为50m举例，运用扫描仪对1～5号点分别进行扫描，获得其坐标数据。在实验进程中，要始终保证1～5号点以及A20后视点在整个实验中位置保持不变。首先扫描仪应当在I013点对中整平且在后视定向之后，对1～5号点分别进行扫描，获取坐标信息，经此流程之后称为一组扫描数据。在一组数据扫描结束后，将扫描仪卸下而后在I013点重新架上，对中整平之后采集下一组数据。在实验全程之中，对50m的各点一共进行五组测量，对测量距离为50m的各点进行实验时，实验步骤与前面相同，一共进行五组测量。
4.三维激光扫描仪在建筑物变形监测中应用的方案
从实际应用上而言，单点定位的精准程度并不是特别高，其可以满足一般工程或者地形测量的需求。但是对于建筑物变形监测而言，其精确程度还与要求存在一定程度的差距。
利用三维激光扫描可以快速得到建筑物高密度的点云数据，对建筑物开展建模。由于建筑物本身便是一个整体，通过点云数据建模，可以提取建筑物特征线，利用这部分特征线从而判定建筑物是否变形。
5.实际案例分析
5.1对监测点进行布置并采集数据
现有一个在采空区上方建设的煤化工项目，为了有效掌控焦炉变形的程度，对其是否达到建设效果进行检验，可以布置8个变形独立监测点。
运用GX200扫描仪开展数据采集工作，在数据进行采集的过程中，在每一个监测点上都要分别架设扫描仪，对在视场范围内部的所有建筑物开展扫描。焦炉内部结构较为复杂，为了获取细致、完整的结构数据，扫描过程中应当选用40mm×40mm分辨率进行。扫描时，每一个数据都是独立存在的，因此在扫描的过程中，要极大化保证两站之间扫描区域一定程度的重叠，为后续云点拼接奠定基础[3]。
5.2数据处理
要选用Trimble RealWorks Survey Advanced处理软件对收集到的点云数据进行处理。由于两次数据扫描都是单独进行的，便需要对收集到的数据进行坐标匹配，在点云匹配进程结束后，还要对收集到的数据开展去噪处理。利用以上数据处理步骤便可以取得可靠完整的点云数据。 因为焦炉自身体积较大且内部结构较为复杂，如若将焦炉数据进行建筑物变形分析，会出现工作效率低下、数据处理速度较慢、数量巨大等情况。焦炉同时是刚体结构，其整体变形与局部变形效果一致，因此可以将焦炉特征明显的部分单独提取开展变形分析，在保证工作效率的同时确保结果准确。
首先应当选用焦炉部分收集数据作为分析变形的数据，利用Trimble RealWorks Survey Advanced处理软件中Cutting Plane的工具，对数据进行横截面的截取。之后对点云数据开展择优选择，得到特征线中可分析的点云数据。在两次扫描的同一位置截取一致的点云数据，取得特征线两组数据，并对其数据进行有效分析，便可以获得焦炉某一位置变形的现象。为了对焦炉变形现象进行全面分析了解，在其点云数据中要每相隔一定距离便截取截面获得一组数据，这样便可以获取多种特征数据，对焦炉变形的全面分析奠定数据基础。最后利用回归分析法可以对每一组数据中的两条特征线开展直线拟合，获得的斜率便是建筑物在此条线中的斜率，两次扫描中的斜率差便是建筑物变形倾斜的程度。
5.3结果分析
对计算得到的变形倾斜值进行分析，可以明显看出如若变形倾斜具备系统性，算出的平均值便可以作为建筑物的倾斜变化量，该变化量在数值上既有负值又有正值。如若数值的大小并不相同，便要从误差理论的角度对建筑物进行分析，探讨其是否变形。
如若从误差理论角度分析，便是偶然误差，也就是所谓的误差的符号与大小都具备偶然性。从单个误差的角度来看，一列误差的符号与大小毫无规律性，但针对大量误差总体而言，具备一定程度的统计规律。就可以认定建筑物并不存在变形倾斜现象，变形倾斜值是由于观测误差造成的。
6.结束语
三维激光扫描的先进技术直接克服了传统测量建筑物变形的固定点监测模式的片面性，可以在极短的时间内通过扫描获得较高精度的点云数据，可以满足建筑物变形倾斜测量的基本需求。对点云数据进行分析、处理，可以直观获得建筑物局部或者整体的变形信息。但是，若想利用不同时期的建筑物重建模型进行对比分析，就需要建设高精准度的三维模型。在这一方面，该项技术还存在着许多提升空间。在實际工作中，将传统测量手段与三维激光扫描结合，便可以充分发挥各自优势，达到极佳效果。
参考文献
[1]王宗辉.基于三维激光扫描技术的建筑物变形监测应用[J].中国建材科技，2017，26（2）：70-72.
[2]蔡来良，吴侃，张舒.点云平面拟合在三维激光扫描仪变形监测中的应用[J].测绘科学，2010，35（5）：231-232.
[3]焦晓双，胡海峰，廉旭刚.基于三维激光扫描技术的矿区建筑物变形监测方法[J].金属矿山，2018，（4）：150-153.
（作者单位：湖南水利水电职业技术学院）
【中图分类号】TU317
【文献标识码】B
【文章编号】1671-3362（2020）09-0090-02
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