三维扫描技术在前卫歪塔纠偏工程中的应用研究

张悦

（辽宁有色勘察研究院 辽宁 沈阳 110013）

摘要：本项目所施工对象是号称“世界第一歪塔”的绥中县前卫歪塔，工程目的是减小歪塔倾斜度4°，以便防止古塔因过度倾斜发生倾倒。在项目施工过程中，引入三维激光扫描技术利用采用了非接触式测量方法来对歪塔纠偏进行监控，利用高密度点云所形成的三维模型监控塔身体整体结构，并从整体到细部监控歪塔各层面上的形变与扭曲程度。利用三维激光扫描技术进行非接触测量不仅不损坏文物，而且利用“点云拟合平面”方法来监控并指导歪塔纠偏，避免了以往接触式测量的条件限制与不利影响，本技术方法的数据采集速度快，作业效率高。

关键字：三维激光扫描技术，点云拟合平面，三维模型监控，非接触式测量

中图分类号：TU753文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

1、引言

利用三维激光扫描技术进行非接触测量不仅不损坏文物，而且利用“点云拟合平面”方法来监控并指导歪塔纠偏，避免了以往接触式测量的条件限制与不利影响，本技术方法的数据采集速度快，作业效率高，利用0.5″高精度全站型测量机器人并采用双基线极坐标法建立像控网，应用此方法验证检核拟合面的精度；由整体到细部地监控歪塔整体形变与扭曲的程度，大大提高了监控效率，并加强了监控工作在纠偏工程中的指导性作

2.1 外业扫描工作

施工扫描是为了获得歪塔数据的三维初始模型；施工工程中会对歪塔进行实时监控扫描，利用获得的数据来指导施工的进行；施工完成后扫描是为了验证最后的纠偏角度结果，确保纠偏工作是否达到设计要求[2]。每次扫描都设置3个扫描站，其中一站就是在歪塔纠偏方向的延长线上（即KZ1站），量测出歪塔上对着KZ1的立面上的15个像控点三维坐标，便于后期对歪塔的角度量测。

2.2 内业数据处理

通过外业的扫描观测工作可获歪塔各个面的离散点云数据，如果单独分析离散点云我们很难分析出其姿态，但是把这些点云数据拟合为一个面，就能方便地进行分析了。利用处理三维数据的专业软件“Riscan Pro”我们通过立面图及裙带面上的像控点分别生成了立面图及裙带面上的拟合平面[1]。

2.3歪塔倾角的计算

在Riscan Pro软件中可以获得拟合平面上任意点的三维坐标，从而可以利用平面方程公式，并且利用最小二乘法原理求得方程系数，最终求解出每一个生成的拟合平面的方程。

利用面面夹角公式分别计算出立面拟合面与竖直面的夹角及裙带面与水平面之间夹角，并利用两种拟合平面算出的角度平均值再求取一次平均值得出最后的倾斜角度值，最后以歪塔与竖直面的夹角为最终的成果表达，最后结算出初始值为12°42′。

在整个纠偏施工结束后，我们进行三次每次间隔半个月的扫描测算工作，测得歪塔倾斜角度分别为7°56′53″、7°57′31″、7°57′14″，此后每三个月监测一次，共监测4次，塔身倾角平均值为7°57′21″。通过数据可以看出，数值变化不大，说明歪塔已处于基本稳定状态，通过对观测值计算可以得出如下结论，绥中歪塔的倾角已从原来的12度多，经过纠偏及加固，倾角纠正到近8度。

2.4 拟合平面的精度评定

1） 基线网的建立：在歪塔的周围设立的3个工作点（也是三维扫描仪的测站及后视点），由此3点建立一个闭合的双基线网。2） 基线网的等级要求：采用四等导线测量，测边相对中误差为1/89000，导线全长相对闭合差≤1/46000。3） 双基线极坐标法测量像控点：给定工作点KZ1一个三维坐标值，利用索佳0.5″全站仪并根据极坐标法测得KZ2及KZ3的三维坐标。利用全站仪分别测得15个像控点的三维坐标。4） 拟合面的精度评定本项目对拟合面的精度评定采用的方法是点距法。即先根据点到平面的距离公式计算出立面及裙带面上像控点到其相应的拟合平面的距离d，然后计算出中误差，得到拟合平面的精度公式为： 。

通过检验拟合平面精度来识别每次歪塔扫描数据的精度是否在同一误差范围内，因为只有在同一误差范围内的扫描数据所获得的拟合面才具有可比性，这样的才能真实的反应出歪塔的倾斜角度的变化。

2.5 利用三维扫描技术建立的立体模型把握歪塔整体变形程度

利用3站测得的点云数据，经过内业的降噪处理，剔除杂点，并在Riscan Pro中建立歪塔的真三维、真尺寸、真纹理的空间立体三维模型，在施工进行的过程中多次扫描，从整体层次上把握施工前后歪塔的变形情况，以便于为设计人员及施工人员提供准确及时的测量数据。

3、结论：

本项目在文物纠偏工程中引入了三维激光扫描技术进行监测，在国内也是首例，利用三维激光扫描技术进行非接触测量不仅不损失文物，而且利用“点云拟合平面”方法来监控并指导歪塔纠偏，避免了以往接触式测量的条件限制与不利影响，本技术方法的数据采集速度快，作业效率高；利用三维扫描技术快速有效地生产歪塔的高密度数字表面立体模型，由整体到细部地监控歪塔整体形变与扭曲的程度，此种从整体到细部的监控方法的效率有着其他常规测量方法所不可及的明显优势

参考文献

1. 吴静，靳奉祥，王建. 基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模[J]. 测绘工程，2007，16（5）：57-60

2. 张国辉. 基于三维激光扫描仪的地形变化监测[J]. 仪器仪表学报，2006，27（6）