三维激光扫描在超高层倾斜监测中的应用

刘 斌 李树文 杨 慧 孔 刚 郭庆坤 朱 君 隋俭武

(济南市勘察测绘研究院, 山东 济南 250001)

摘 要：针对超高层倾斜监测传统方法中数据获取量少、成果展示不直观等问题。利用三维(3D)激光扫描仪对超高层建筑进行扫描，通过建立超高层核心筒模型，提取指定高度角点坐标，从而计算超高层倾斜率。以济南平安金融中心超高层建筑为例，通过三维激光扫描结果与全站仪实测结果的比较，验证了三维激光扫描在超高层倾斜监测中应用的可行性，此方法能够提高观测效率，为同类型项目实施提供了借鉴。

0 引言

随着现代化施工工艺的提高,城市发展的加快,越来越多的超高层建筑作为区域地标而建立,而超高层倾斜监测一直是测量的重难点[1-3]。传统的测量方法利用全站仪、激光测斜仪、数字正垂仪等进行超高层监测,数据采集费时费力,数据处理结果不够形象直观,难以获取建筑表面细节特征[4-6]。三维激光扫描技术随着科技的发展,利用激光快速扫描,无须接触,便得到海量点云数据,速度快、精度高,操作简便,形象展现物体的三维信息,直观表现立体模型,广泛应用于城市建筑物测绘[7]、建筑物模型建立[8-9]、建筑物立面改造[10-12]、基坑改造测绘[13]等领域,为复杂测量问题提供了全新的解决方案,三维激光扫描技术在超高层倾斜监测领域,以建筑变形特征提取、模型建立与应用、变化趋势拟合等为主[14-15],为分析超高层倾斜变化提供帮助。

本文以济南平安金融中心超高层建筑为例,对其进行三维激光扫描,通过点云配准、模型拟合等过程,提取相应高度角点坐标进行倾斜率计算,通过与实测数据比较分析,验证了此方法的可行性。

1 外业观测

济南平安金融中心位于济南中央商务核心区，项目由塔楼和商业裙房组成，其中，塔楼分为地上62层，地下3层(局部4层)。塔楼建筑总高度360 m。建筑施工过程中及竣工验收前，需对建筑上部结构进行倾斜观测，一般采用投点法选取塔楼外立面指定高度的四角进行倾斜监测。此方法获取的数据量少，逐点采集费时费力。鉴于此，选取天宝TX8三维激光扫描仪进行超高层建筑扫描。天宝TX8三维激光扫描仪以360°×317°的视场和每秒1 000 000点的数据获取速度，可以快速高效地完成测量任务，在其Extend模式下，测程可扩展至340 m。可有效对超高层核心筒进行扫描,其主要性能参数如表1所示。表1 天宝TX8三维激光扫描仪性能指标

注：①Preview模式的最大测程是120 m;②Level1模式的最大测程是120 m;③Level2模式：最大测程是120m,④Level3模式的最大测程是120 m;⑤Extend模式的最大测程是340 m。

利用济南平安金融中心外围已知控制点(平面、高程分别采用二级导线、二等水准进行测设)，沿建筑东西两侧道路进行连续设站，测站间摆放标靶球用于后续配准,测量线路及外业数据采集情况如图1所示。

图1 三维激光扫描线路示意图

考虑到测量效率与时间情况,本次采用Level1模式扫描全景,Extend模式局部扫描的方法。本次扫描共设站22站,测站间隔约30 m, 测站任意架站,测站间摆放标靶球用于配准,已知点上架设标靶球用于坐标转换。

2 数据处理

2.1 点云配准

2.1.1 靶球提取

（此段无关请忽略）限，区域发展极度不平衡。中心城市、城市郊区城乡结合部、县城和建制镇、农村地区状况依次呈下降趋势，呈现严重的两极分化。另外，低收入家庭虽然部分拥有小型助力车，但是覆盖面积有待提高，家用汽车等大型交通设备还是处于一种不可及状态，移动电话、彩电、洗衣机这几类家电普及范围还是比较广泛。

表2 标靶球拟合精度统计分析表

从表2可知，标靶球拟合精度均未超过1.5 mm，其中，拟合精度在1.0～1.2mm之间的占63%，占比最大，拟合精度小于1mm的占31%，比例次之，拟合精度在1.2～1.5mm之间的占6%，占比最小；标靶球拟合精度最大值为1.5 mm，最小值为0.8 mm，平均值为1.0 mm。综上所述，软件进行标靶球提取时的拟合精度较高。

2.1.2 网平差

图2 不同测站间同名标靶球残差统计示意图

由图2可知,配准残差小于1 mm的标靶球占46%,1～2 mm的占39%,2～3 mm的占10%,3～4 mm的占3%,大于4 mm的占2%;标靶球平均残差为1.2 mm,最大残差为4.0 mm,最小残差为0.1 mm。综上所述,本次点云利用标靶球进行配准精度较好。

由表3可知,已知点残差最大值为5.8 mm,最小值为0.9 mm,平均值为3.1 mm;有4个已知点均在2个测站间进行了扫描,不同测站之间残差差值较小,最大残差差值为1.6 mm,最小为0.7 mm,平均值为1.0 mm。综上所述,利用已知点进行点云配准精度好,满足三等点云配准后同名点内符合精度(≤25 mm)要求。

2.2 点云建模

点云配准完成后,为提取核心筒外立面指定高度处角点坐标,对点云数据进行分析建模,利用点云数据拟合模型,通过对拟合模型的数据分析,求得超高层建筑的倾斜变化。

项目倾斜监测的主要对象是超高层建筑的核心筒位置,故首先对点云数据进行点云分割提取,利用点云分割提取工具,去除噪点,提取核心筒外立面规则点云数据,便于后续建模使用。点云分割提取如图4所示。

(a)分割去噪前

(b)分割去噪后
图4 点云分割示意图

2.2.2 点云建模

(a)提取点云数据

2.2.3 数据提取

(a)构建三角网

(b)平面切割模型
图6 角点数据提取示意图

提取核心筒模型外立面角点坐标，对超高层建筑的倾斜变化进行数据计算分析,角点坐标内收修正后利用十字交叉法确定拟合中心点坐标，利用上部核心筒拟合中心点与一层中心点确定倾斜变化量。

3 精度分析

利用指定高度处中心点坐标与一层中心点坐标进行处理计算求得其倾斜变化率,倾斜变化率计算公式如下：

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4 结束语

三维激光扫描技术因其无接触性、扫描速度快、精度高等优势，越来越多地应用于精密测量领域。本文结合济南平安金融中心倾斜监测项目，利用三维激光扫描仪对其进行扫描，经过标靶球提取、点云配准、点云分割去噪、点云建模、坐标提取等步骤，拟合超高层建筑的核心筒模型，通过提取角点坐标求得核心筒中心位置及倾斜变化率，通过与全站仪实测数据的对比分析，验证了三维激光扫描仪在超高层倾斜监测中应用的可靠性，为超高层倾斜监测等类似项目提供了一种新的解决方案。