三维激光扫描支持下电视塔变形监测试验研究

李建敏，程光亮

(1.焦作市广播电影电视局，河南焦作 454000;2.河南理工大学，河南焦作 454003)

1 试验区的概况

焦作市广播电视塔(以下简称“电视塔”)总高度为238.0 m，是焦作市目前最高的建筑物。电视塔的主体为钢架结构，总重达1100多吨，共分三个部分，从上至下依次为天线段、塔楼段和塔身段［1］，如图1所示。尽管，在电视塔设计及建设过程中，采取了一系列工程措施。但是，由于其巨大重量突然矗立于天然黄土地上，改变了其原始的地质应力结构，同时，由于地质结构的不均质性，在巨大的外部压力下，电视塔将产生沉降、倾斜、扭曲、位移等一系列复杂的弹、塑性变形。这些变形将不同程度地对电视塔的正常使用产生影响。

2 Trimble－GX扫描仪的特性

三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，它采用非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。在电视塔变形监测中，采用的三维激光扫描仪为Trimble－GX全站式扫描仪，它具有全站仪的灵活性、操作友好和高精度的特点［2］。

Trimble－GX扫描仪体现了以下6个重要特性:

(1)全方位视角360°×270°，在安置仪器时，不需担心视场角问题。

(2)高精度双轴(倾斜)补偿器，补偿范围±6'，分辨率1″，可以根据测量控制点完成高精度的导线测量。

(3)测量级的点位精度±7 mm，单点精度高。

(4)有效的扫描距离约为350 m，这一测程几乎能够满足所有无反射棱镜测量仪器的测量领域。

(5)与高分辨率的数码相机集成，用于快速选择扫描区域，实现影像的自动纠正和点云重合。

(6)与其相配套的固化软件可以设置一系列自动化的场景扫描，在操作上实现了无人值守。

3 监测方法和内业处理

3.1 监测方法

在进行电视塔变形监测时，首先在地面上设置6个球形把手，然后在塔身上选取39个点，一共45个影像控制点，测得其相对高精确的三维坐标。其中塔身上选14个点和地面6个球形把手为坐标控制点，塔身上其他25个有几何特征的点作为比对检查点。见图1标注所示。采用激光扫描仪中的倾斜式扫描方式对电视塔身进行全部扫描，获取三维影像。

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图1 焦作市电视塔及影像控制点

3.2 内业处理步骤

内业处理时，在选取的6个球形把手和塔身上14个点作为影像控制点的基础上，利用固化软件建立空间绝对坐标系统 ，然后进行三维影像坐标量测，进行数据获取和处理和精度评定。

(1)在电脑上用Realworks survey 5.0，打开文件JiaoZuo TV Tower.rwp，如图2所示。

图2 打开文件JiaoZuo TV Tower.rwp

(2)选择“Display”→“Display Geometry”进行绝对定向，如图3所示。

图3 绝对定向

(3)在三维立体点云影像下精确切准要检查的特征点，系统会弹出一个下拉菜单，进入设置菜单。

(4)影像的绝对定位。由于三维激光扫描影像是全真景再现，所以至少分别输入三个影像控制点的三维坐标X，Y，Z，进行影像的绝对定位，以便进行其他检查点坐标量测，如图4所示。

(5)坐标量测。进行以上步骤后自动建立一个SUB－PROJECT文件，便可以进行点位量测，如图5所示。

图4 绝对坐标的输入

图5 坐标量测

4 监测试验结果及精度分析

由表1，根据白塞尔公式，得到三维坐标中误差，如表2所示。

利用球形标靶作控制点的影像量测坐标表1

三维坐标中误差 表2

5 误差来源分析

扫描系统测量误差可分为系统误差和偶然误差。系统误差引起三维激光扫描点的坐标偏差，可以通过公式改正或修正系统予以消除或减小。所以，偶然误差仍是激光扫描系统的主要误差来源［3］，经综合分析，其误差来源如下:

(1)仪器自身的误差。体现在三维激光扫描时的测距误差和扫描角误差。尽管监测前仪器参数已经得到矫正。理论上，Trimble－GX扫描仪的测距误差在100 m以内为7 mm。且扫描角的误差也是与距离有关的误差，随着仪器与扫描目标距离的增加，仪器自身的误差在增大。野外作业时，扫描仪距离电视塔在300 m，该项误差仍为一项主要误差来源。

(2)电视塔反射面的倾斜影响。电视塔的最高的球状部分，离扫描仪的镜头高度有220 m，而电视球上部的扫描数据与所测得的控制点点位精度较差，大部分点位均在2 cm～3 cm，精度相对较差。而塔身上接近地面部分的点云数据与所测得的控制点坐标相比，点位精度较好，大部分点位均在1 cm～2 cm，精度较高。所以塔身目标物体反射面的倾斜影响仍然是最主要的误差来源。

(3)电视塔表面的涂膜材料的影响。电视塔钢架结构的塔身上涂膜的是灰色防锈漆，回光信号比较好，扫描测量精度比较好。

(4)物体表面的粗糙程度的影响［4，5］。三维激光扫描点云数据的精确程度与物体表面的粗糙程度有着密切的关系。电视塔身为钢架结构，材质几何形状比较好，电视塔目标物体反射表面的粗糙程度引起的影响应当比较小。

(5)外界环境条件的影响［6］。温度和气压等外界环境条件对激光扫描的影响主要表现为温度变化对精密机械结构关系的细微影响、扫描过程中风的震动、激光在空气中传播的方向影响等。在野外作业时，选择的气温和湿度均比较理想，外界环境条件的影响因素较小。

6 结论

(1)获取了电视塔平面和高程方向上的三维坐标，通过精度分析，点位量测精度都在厘米级上。

(2)选取球形控制标志进行点位量测精度基本可行。电视塔变形监测试验得到的三维坐标中误差为: mx=±21.2 mm，my=±19.6 mm，mz=±21.2 mm。

(3)从以上实验结果来看，塔体高度在160 m以下的接近于地面的扫描数据的点位精度较好，三维激光扫描技术应用于高大建筑物的变形监测基本可行。

［1］ 程光亮，张福利，王宝山.三维激光扫描技术在工程应用中的精度探讨［J］.测绘与空间地理信息，2007(1):47～50

［2］ 罗旭，冯仲科，邓向瑞.三维激光扫描成像系统中森林计测中的应用［J］.北京林业大学学报，2007，29(2):82～87

［3］ 郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析［J］.测绘工程，2005，14(2):31～33

［4］ 吴春峰，陆怀民，郭秀荣等.三维激光扫描系统中测树中的应用［J］.林业机械与木工设备，2008(36):48～49

［5］ 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

［6］ 范占永，袁铭，严勇等.三维激光扫描测量天幕钢结构精度分析［J］.现代测绘，2009，32(2):7～9