地面激光扫描技术在建筑变形测量中的应用探讨

来源：《测绘通报》2016年第6期

作者：林鸿, 欧海平, 王峰

【摘 要】已有不少文献针对激光扫描在建筑变形测量中的应用进行了研究, 但是国家和行业尚无三维激光扫描技术规程出台。本文通过应用调研、扫描仪的标称精度统计分析, 以及具有针对性的试验, 明确了激光扫描测量建筑变形的作业方法, 确立了选用仪器精度、扫描测量的测回数、标靶入射角度等技术指标, 为激光扫描技术在建筑变形测量中的工程应用提供了参考依据。

【关键词】变形测量;地面激光扫描技术;点云;测回数;标靶

激光扫描技术是利用激光测距原理，通过不断改变激光束水平角和竖直角获取被测物体表面三维坐标的一种非接触式主动测量技术[1-2]。激光扫描技术是20 世纪90 年代中期激光应用研究的重大突破，它改变了传统单点采集数据的作业模式，能快速自动连续获取点云数据，从而提高数据采集效率。该技术已经在文物考古、建筑测绘、地形测量、交通事故调查、城市规划测量、三维仿真等领域得到了推广应用[1]。近几年，大量的文献对激光扫描在建筑变形测量方面的应用进行了探索[4-14]，本文将对建筑变形测量中的应用、仪器精度指标、标靶入射角度指标等进行调研，并针对激光扫描测量中测回数指标及单点定位测量精度进行试验。

一、激光扫描技术在变形测量中的应用调研

2010 年之前，关于激光扫描技术在建筑变形测量应用研究的相关报道很少，近几年陆续有一些专家学者开始探索和尝试应用，主要的研究方向集中在基坑、滑坡、建筑等实体的变形监测方面，根据采用的比较方法差别可分为两类。

第一类方法为采用标靶作为监测点的直接比较法， 该方法简单实用。文献[4]采用Leica Scanstation C10 三维激光扫描仪进行基坑变形测量试验，利用Leica TCA2003 测量出测站点和标靶的三维坐 标，以此为控制点将点云转换到施工坐标系。受测距精度、测站和后视点的定位误差、对中误差、扫描误差及拼接误差等影响，实际作业的精度达18.5mm。 文献[5]利用Leica Scanstation C10 对某基坑施工现场墙面的墙体变形进行监测，试验结论变形量直观，但数据误差比较大，文中没有给出具体误差值。文献[6]对扫描仪的误差来源进行分析，采用Leica Scanstation2 与全站仪测量方法进行比较，点位较差中误差为9.28mm，高程较差中误差为9.3mm，基本只能满足三级位移观测精度的要求。文献[7]采用Leica Scanstation2 进行滑坡变形监测试验，与全站仪对比，其平面点位测量中误差和高程中误差均优于5mm，能够满足三级位移观测的要求。文献[8]对Trimble GX200 的单点定位精度进行检定，检测结果为50m 处点位较差约为7mm，100m 处约为11mm，接着利用建筑物特征线判断建筑物的变形。

第二类方法为采用整体点云、线特征、面拟合的间接计算法。激光扫描技术改变传统的单点变形观测模式，使传统的点测量向“形测量”转化。文献[9]采用Ransac 算法拟合实现了利用点云检测微小变形。文献[10]采用FARO Focus3D 进行试验，通过求取两期点云的整体坐标变换参数来计算整体变形，取2 个监测点与精密水准测量成果作比较，较差分别为0.1mm和1.2mm。文献[11]应用三维激光扫描技术，通过房屋特征点提取，计算大面积采动区房屋移动变形。文献[12-13]基于点云拟合确定倾斜平面，比较两期拟合结果技术倾斜变形量。文献[14]采用Riegl VZ400 采集数据，采用软件Cloud Compare 和Sufer8 直接比较两期点云，计算滑坡变形，测得两期位移变形量约为3mm。

综上所述，激光扫描技术在建筑变形测量中的应用研究较多，实际生产项目应用较少，普遍存在试验点少、数据不够翔实、不具说服力的缺点。在沉降和位移变形测量方面精度较低，只能满足低等级变形测量的要求，在倾斜变形测量中采用平面拟合或特征比较的方法能够得到较好效果，但是文献中未能提供有力的数据支撑。在作业方法方面，由于现行激光扫描仪一般只提供粗略整平功能，只有水准气泡而没有自动补偿装置，或是提供的自动补偿装置精度不高，无法精确整平，因此激光扫描点云由仪器坐标系向施工坐标系转换时常采用传统方法测量的参考点( 标靶点) 建立转换关系。

二、激光扫描精度指标

为了明确激光扫描仪标称精度的要求，本文考虑并分析了变形测量精度要求[3]和现有激光扫描仪性能。现行主要仪器及其标称精度统计见表 1。根据表 1 调查结果，现有扫描仪的标称精度只能满足建筑变形测量的三级沉降观测和二、三级位移观测要求。

注：表中@ 后数字为该距离处的指标

三、标靶入射角度

关于扫描标靶入射角度和精度之间的关系，文献[15]采用激光扫描仪HDS 3000 进行了试验，根据试验数据绘制出标靶的激光束入射角度、测量距离与靶心反射强度的关系图( 如图 1 所示)。从图上可以看出，当入射角小于60°时，可以较好地提取靶心坐标。

图 1 靶心反射强度与入射角度的关系

文献[16]分别采用Leica HDS 3000 和Leica HDS4500 进行试验，得出如下结论：目前激光扫描获取高精度成果要使用标靶作为拼接的连接点和坐标转换时的控制点，扫描过程中标靶的自动提取与扫描时标靶的倾角和扫描的距离有关，应尽量使用与扫描仪型号配套的标靶，在扫描倾角50°内使用配套的标靶可以获得良好的精度，在扫描距离170m 内使用配套的标靶可以获得良好的精度。

文献[16]采用Sokkia NET 1200 高精度全站仪与Leica HDS 3000 扫描仪对比，按10 个不同入射角度进行扫描，试验数据表明当入射角度小于42°时，标靶提取的精度不受入射角度的影响。

根据以上试验，扫描入射角度大于50°对于测量精度影响较大。另外，一般激光扫描所使用的标靶由高反射率材料制成，长期被雨淋、阳光照射，会造成标靶材质反射率降低且表面反射特性不均匀，使得激光扫描识别标靶的精度变低，甚至不能识别，因此，对需长期使用的标靶应采取一定防水遮阳保护措施。

四、测回数与精度的关系

由于偶然误差具有抵消性，增加扫描测量的测回数可以降低偶然误差，为了确定激光扫描测量的测回数指标，本文进行了如下试验：

试验场地布设在扫描站点四周，从5 ～ 160m 均匀布设40 个标靶，采用Leica TM30 全站仪测量全部标靶的全局坐标。图 2 为试验场地标靶布设示意图。

图 2 标靶位置设置现场

采用Riegl LMS-VZ400 扫描仪分别于上午 和下午进行了两次试验。试验时，室外温度为27~32° C，天气晴，微风，使用遮阳伞避免了阳光直射仪器。

第1 次试验在上午，同一测站扫描测量10 测回，从40 个标靶抽取4 个分布均匀的标靶作为参考点，利用参考点将每个测回的标靶坐标从仪器坐标系转换到全局坐标系，分别求取2、3、4、5、6、7、8、9、10 个测回转换后的标靶坐标均值，以10 测回的均值为真值进行比较，得出统计曲线;接着再从40 个标靶中抽取另一组4 个标靶作为参考点，进行上述计算，绘制统计曲线如图 3 所示。

图 3 测量精度与测回数关系( 第1 次试验)

下午的第2 次试验变换了站点位置，进行了相同的扫描试验，得出统计曲线如图 4 所示。

图 4 测量精度与测回数关系( 第2 次试验)

根据以上试验，4 ～ 5 个测回的均值偏差会有一次显著减小，7 ～ 9 个测回均值偏差接近于0。因此，三级沉降测量应不少于7 测回，二级位移观测应不少于4 测回，三级位移观测点位精度为1cm，则1 ～ 2mm误差对点位中误差影响不大，只需2 个测回复核即可。

将以上试验扫描的40 个标靶与Leica TM30 机器人所测标靶坐标作比较，进一步得到激光扫描仪Riegl VZ1000 的测量精度如下：

　　1) 测距精度检核结果：短程(160m 以内) 测距精度与距离没有相关，统计的测距较差中误差为4.2mm，符合仪器5mm 的标称精度(100m 处一次单点扫描)。

　　2) 点位精度：平面点位较差中误差为6.8mm，高程较差中误差11mm。

五、结 论

通过对激光扫描在建筑变形测量中的应用调研，扫描仪精度、标靶入射角度等的调查，以及扫描仪测回数与单点定位精度的试验，得到以下结论：

　　1) 由于当前激光扫描单点定位精度较低，因此现有扫描仪只能用于建筑变形测量的三级沉降观测和二、三级位移观测。对不同等级的变形测量应选用相应等级精度的仪器。

　　2) 激光扫描用于建筑变形测量可采用标靶直接比较或采用整体点云、线特征、面拟合的间接计算法。其作业流程一般包含基准点和监测点的标靶布设、测量作业准备、扫描站点的布设、扫描测量作业、数据处理与分析、成果提交。

　　3) 由于点云拼接会使得精度降低几毫米甚至达到厘米级，因此为了确保测量精度，激光扫描用于建筑变形测量时每一测站均应采用标靶直接定位定向，不宜点云拼接手段间接定位定向。

　　4) 标靶扫描入射角度应大于50°，对需长期观测的标靶应采取防水遮阳措施保护。

　　5) 测回数方面，三级沉降测量应不少于7 个测回，二级位移观测不少于4 个测回，三级位移观测不少于2 个测回。

参考文献

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[15] 施贵刚. 地面三维激光扫描数据处理技术及作业方法的研究[D]. 上海: 同济大学,2009.

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