第３０卷第２期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） ２０１１年４月 、，ｏ１．３０ Ｎｏ．２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ａｏｒ． ２Ｏｌ１ ／文章编号：１００８．０５６２（２０１１）０２—０２０５．０４ 三维激光扫描技术在建筑物变形监测的应用 吴侃 ，黄承亮 ，陈冉丽 （１．中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州２２１００８；２．重庆市勘测院，重庆市４０００２０； ３，石家庄铁路职业技术学院测绘工程系，河北石家庄０５００４１） 摘要：为了解决复杂的或高大的建筑物结构变形监测问题，采用了地面三维激光扫描技术，研究了三维激光扫 描的单点定位精度，数据采集方法和相关的数据处理方法，提出了利用建筑物特征线是否变形来判定建筑物变形 的思路。实验结果表明：该方法操作方便，计算结果可靠，能满足精度要求，具有工程实用价值。 关键词：三维激光扫描；建筑物；单点定位；变形监测；精度 中图分类号：Ｔｕ １９６ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｏｆ ３ Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ＇ ＾ ● ＣＬｅ工Ｏｎｎａｔ１Ｏｎ ＷＵ Ｋａｎ ，ＨＵＡＮＧ Ｃｈｅｎｇｌｉａｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｒａｎｌｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｓｐａｔｉａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００２０，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒａｉｈｖａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００４１，Ｃｈｉｎａ） ， Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｄｉｉｆｃｕｌｔｉｅｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｏｒ ｌａｒｇｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ－ｐｏｉｎｔ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｄａｔａ ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ’ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｔｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｌｉｎｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｈｔｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ｅａｓｙ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｏｕｔｃｏｍｅ． Ｉｔ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｈａｓ ａ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ 引 言 区土方开挖断面和体积测量、工业制造、变形测量、 加工检测、施工量测、事故调查、历史古迹的调查与 三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高 恢复，以及特殊动画效果的测量等 ，但在建筑物变 新技术。用三维激光扫描技术，可以深入到复杂的现 形监测方面的研究比较少。 场环境及空间中进行扫描操作，并可以直接实现各种 大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实 １ 三维激光扫描技术单点定位精度研究 景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的 三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据【１之］。 扫描仪单点定位精度的高低直接决定它的应 三维激光扫描技术作为正向建模的对称应用，获取的 用范围Ｌ６Ｊ。以Ｔｒｉｍｂｌｅ ＧＸ２００三维激光扫描仪为例， 数据可以直接与地理空间信息库连接，作为高精度 分析仪器的标称精度和实际观测精度的情况，为实 ＧＩＳ数据源。该技术在建筑物三维重建，在考古测量 际应用提供有效的依据。 建档、存档，采矿业的地下勘测等不可接触的实物测 ＧＸ２００激光扫描仪，属于镜面扫描仪，由测距 量方面有着广泛的应用前景【ｊＪ，当前这一技术主要用 模块、多角镜面转轮、驱动马达、角圆码盘以及一 于工程测量、地形测景、虚拟现实和模拟可视化、矿 些马达驱动电子器件组成。ＧＸ２００扫描仪测量流程 配合双轴补偿的技术，使扫描仪像测绘仪器一样工 收稿日期：２０１１．０１ ０３ 基金项目：国家公益性行业科研专项（２００８０９１２８）：“青蓝工程”资助项目 作者简介ｔ吴侃（１９６３．），男，浙江东阳人，博士，教授，主要从事矿区变形监测方面研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｋａｎ６８９９＠２６３．ｎｅｔ。本文编校：朱艳华 ２０６ 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 表２单点定位数据结果 第３Ｏ卷 作在一个定义好的坐标系统里面，所有的扫描场景 以坐标为拼合参考，精确而高效。 ＧＸ２００三维激光扫描仪标称的主要技术参数 见表１。 表１ ＧＸ２００三维激光扫描仪主要技术参数（标称参数） ｌｂ．１ ＧＸ２００ ３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｅｒ’Ｓ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 指标 数值 最远３５０ Ｔａｂ．２ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ 扫描距离，ｍ 距离测量精度 单点定位精度 ７ｍｍ＠１００ｌｌｆ－ ６ ｍｍ＠５０ ｍ，１２ ｍｍ＠１００ ＩＩ１ 脉冲５３２ｎｍ ３６０。×６０。连续扫描 ２ 三维激光扫描仪对建筑物变形监测方案 从工程应用上讲，这样的单点定位精度并不是 很高，虽能满足地形测量和一般工程测量要求，但 激光波长 扫描范围 对ＧＸ２００三维激光扫描仪进行单点定位精度 检验的检验方案是采用三维激光扫描仪反复对同 对于变形监测，特别是高精度的变形测量，还有一 定的差距。 个目标进行测量，通过多次的测量数据进行精度 评价［７＿８］。这种方案可以很好地得出三维激光扫描仪 一采用三维激光扫描技术可以快速的获取建筑物 的高密度点云数据，可以对建筑物进行建模 】。考虑 到建筑物本身的结构是一个整体，结合三维激光扫 描点云数据的特点，通过对点云数据的建模，提取 建筑物的某些特征线，可以利用建筑物特征线是否 变形来判定建筑物的变形。 的测量稳定性和其自身的测量精度，并可以同仪器 厂商提出的标称精度进行比较，得出是否满足要 求。 具体实验方法见图１，测量距离分为５０ｍ和１００ｍ。 以测量距离５０ ｍ为例，三维激光扫描仪分别对１号 点到５号点进行扫描，获取其点的坐标数据。在实 验过程中，保证１号点到５号点以及后视点Ａ２０的 ３ 实例分析 ３．１ 变形监测点布置及数据采集 标靶在整个实验过程中保持固定不动。首先三维激 光扫描仪在设站点１０１３上对中整平并进行后视定向 河北峰峰集团煤化工建设在老采空区上方，为 了全面掌握焦炉的变形情况，检验其是否达到预计 的建设效果，分别布置了８个的变形监测点。 具体点位布置情况见图２。 之后，分别对５０ｍ上的１到５号点进行扫描获取坐 标数据，这样称为一组扫描数据。这组扫描结束之 后，卸下仪器然后再重新在１０１３上架设仪器对中整 平后进行下一组的数据采集。整个实验过程中分别 对５０ ｍ上的各号点进行了五组测量。距离为１００ ｍ 的各点测量与前面相同，共进行了五组测量。所得 测量结果见表２。 ３号点 Ａ２Ｏ 驳．．．…图２变形监测点位布置 Ｔａｂ．２ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ …～…一 ｉｎｔｈｅ ｃｏｋｅ ｏｖｅｎｓ ４号点 第３次扫描方 使用Ｔｒｉｍｂｌｅ ＧＸ２００三维激光扫描仪进行数据 ／第４次扫描方向 ， ，采集工作。在数据采集时，分别在每一个监测点上 架设三维激光扫描仪，对在其视场范围内的建筑物 进行扫描。因为焦炉结构比较复杂，为了获得完整、 细致的焦炉结构数据，在扫描时采用４０ ｍｍ￣４０ ｍｍ ／ ５号点鬟 图１单点定位精度实验示意图 Ｆｉｇ．１ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｏ ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ 的分辨率进行扫描。由于扫描时每一站的数据是独 立扫描的，因此在扫描时尽量保证每两站之间的扫 第２期 吴侃，等：三维激光扫描技术在建筑物变形监测的应用 ２０７ 描数据有相同的重叠区域，为后续内业的点云拼接 由于焦炉体积比较庞大并且结构复杂，如果把 工作做好准备。２００７年１２月７日和２００８年５月 整个焦炉数据进行变形分析，会造成数量大，处理 １４日对焦炉进行两次全面的扫描，第一 次扫描获得 速度慢，工作效率低等问题。但冈焦炉属于刚体结 １ ２５４ ０５５个扫描点数据，第二次扫描获得１ ９３２ ９３３个 构，其局部变形与整体变形是一致的，因此可以采 扫描点数据，外业数据采集结束。 用选取焦炉特征比较明显的部分提取出来进行变 形分析，这样既可以提高工作效率又可以保证分析 ３ ２数据处理 结果的正确性。 首先选择部分焦炉点云数据作为变形分析数 采用Ｔｒｉｍｂｌｅ公司提供的ＲｅａｌＷｏｒｋｓ Ｓｕｒｖｅｙ 据，采用ＲｅａｌＷｏｒｋｓ Ｓｕｒｖｅｙ Ａｄｖａｎｃｅｄ点云数据处理 Ａｄｖａｎｃｅｄ点云数据处理软件对采集的数据进行处 软件提供的Ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｌａｎｅ Ｉ：具，对点云数据进行横 理。首先由于两次扫描是进行的， 此需要对 断面截取。然后对取得的点云数据进行优化选择， 扫描数据进行坐标匹配工作，在点云匹配结束后， 得到可进行分析的特征线的点云数据，在前后２次 还需要对扫描的数据进行去噪处理。通过 的处 扫描的相同位置截取同样的点云数据，就可以得到 理步骤就能获得完整可靠的焦炉点云数据见图３。 两条特征线数据，对这组特征数据进行分析，就可 以得到焦炉某个位置上的变形情况。为了全面的了 解焦炉变形情况，在焦炉的点云数据上每隔一定距 离就截取一个截面获得一组特征数据，这样可以获 得多组特征数据，为全面分析焦炉变形奠定基础。 运用回归分析方法可以对每组特征数据中的两条 特征线进行直线拟合，得到的直线斜率就是建筑物 上这条线的斜率，两次扫描数据的斜率之差就 是建筑物的倾斜变形。对截取的所有特征数据进行 图３焦炉点云数据 上述计算处理，得到的结果见表３。 表３局部截面倾斜变化情况表 Ｔａｂ．３ ｓｌａｎｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｆｏｒ ｐａｒｔ ｃｕｔ ｐｌａｎｅ ２０８ ３－３计算结果分析 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第３０卷 本次实验总共样本数为２３个，把数据按由 小到大的次序排好后代入式（１），计算得到 Ｗ＝０．９３５ ４８０ ６３８。 从以上计算得到的倾斜变形值可以看出，如果 倾斜变形具有系统性，则说明存在明显的变形，可 以计算出平均值作为建筑物的倾斜变形。在倾斜变 形的数值上既有正值又有负值，并且数值大小不是 完全相同时，则应从误差理论的方法进行分析是否 若取 ＝０．０５，查表 检验统计量 的 Ｐ分位数表得，ｎ一２３时 ：０．９１４，由于 ０．９３５ ４８０ ６３８＞０．９１４，所以接受原假设，因此焦炉 的倾斜变形符合正态分布规律，数据具有偶然性和 随机性。也就是在两次扫描期间焦炉基本上不存在 倾斜变形。 该结果与同期进行的水准测量结果（两端高差 ４ ｍｉｉ１，即倾斜变形０．０００ ４，可以忽略不计）相吻 厶口存在变形。本次实验结果属于后一种情况。 如果倾斜变形值从误差理论上分析，是偶然误 差（即误差的大小和符号上都表现出偶然性，从单 个误差看，该列误差的大小和符号没有规律性，但 就大量误差的总体而言，具有一定的统计规律。）， ０ 那么，焦炉不存在倾斜变形。倾斜变形值是观测误 差引起的。 ４ 结论 根据概率统计理论可知，如果各个误差项对其 （１）三维激光扫描仪，从单点定位精度只能 满足地形测量和一般工程测量要求。 总和的影响都是均匀地小，即其中没有一项比其他 项的影响占绝对优势时，那么他们的总和将是服从 或近似地服从正态分布的随机变量。因此偶然误差 就其总体而言，都具有一定的统计规律性。根据偶 然误差具有服从正态分布的性质，可对倾斜变形进 行正态分布检验，进一步证明实验得到的倾斜变形 值是具有偶然性和随机性的。 可以采用 检验的方法进行正态检验【ｌ…。利 （２）通过一定数据处理方法利用三维激光扫 描技术对建筑物进行变形观测，可获得变形体的倾 斜变形值。该方法操作方便，计算结果可靠，满足 精度要求，具有工程实用价值。 参考文献： ， ［１］马立广．地面三维激光扫描测量技术研究［Ｄ】．武汉：武汉大 学，２００５． 用 检验的方法检验原假设 的步骤为： （１）把ｎ个样本观测值按由小到大的次序排 列成 Ｉ）≤誓２）≤…≤■，）≤…≤ ） （２）Ｗ检验的统计量为 ［２】李清泉，杨必胜，史文中，等．三维空间数据的实时获取、建模与可视化 【Ｍ】．武汉：武汉大学出版社，２００３． ［３］马立广．地面三维激光扫描仪的分类与应用【Ｊ】．地理空间信息，２００５， Ｗ）ＥＸ（ｎ＋Ｉ－ｉ）－Ｘｉ￣Ｗ：—Ｌ————————————————— １ ， （１） ３（３）：６０—６２． ［４】刘旭春，丁延辉．三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用【Ｊ】．测绘 工程，２００６，１５（１）：４８－４９． ∑ｒｔ — ］ 【５］张远智，胡广洋，刘玉彤，等．基于工程应用的三维激光扫描系统［Ｊ］． 测绘通报，２００２，（１）：３４．３６． ［６】王冬，卢秀山，张占杰．ＲＩＥＧＬ ＬＭＳ－Ｑ１４Ｏｉ・８０激光扫描仪精度评定 式中， 表示样本均值， （ ）的值由表查得，ｌ兰ｊ 表示数 的整数部分。将 １）， ２），…，≤ ）的值 代入式（１）计算统计量Ｗ的值。 （３）根据给定的检验水平 和样本容量ｉｖ／查 表就可得统计量 的１２＇分位数 。 【ＪＪ．测绘科学，２００６，３１（５）：１１５—１１６． ［７】向 娟，李钢，黄承亮，等．三维激光扫描单点定位精度评定方法研 究［Ｊ】．海洋测绘，２００９，２９（３）：６８－７１． 【８】郑小宁，刘军平．三维激光扫描的应用与精度分析［Ｊ】．地理空间信 息，２００８，６（１）：１３２・１３４． （４）作出判断：若 体不服从正态分布；若 ≥ ，则拒绝Ｈｏ，认为总 ，则不拒绝凰。 『９李必军，９］方志祥，任 娟．从三维激光扫描数据中进行建筑物特征提 取研究［ＪＪ．武汉大学学报：信息科学版，２００３，２８（１）：６５－７０． ［１ｏ］梁小筠．正态性检验【】 ．北京：中国统计出版社，１９９７．
