塔形构筑物倾斜变形监测新方法

王 娜，段龙飞，徐卫东，王志一

(1. 中国地质环境监测院，北京 100081； 2. 中国矿业大学(北京)，北京 100083；3. 北京九碧木测信科技有限公司，北京 100085)

传统的变形监测手段主要是基于GPS、全站仪利用近景摄影测量等方法对重要点位进行观测。然而，这种观测手段的监测点有限，无法对构筑物进行整体监测，并且在地形复杂区域布设控制点困难，外业工作量大，成果获取周期长，大大影响了监测效率。目前，高耸塔形构筑物的传统观测方法有：全站仪观测法和GPS高精度观测法[1]。文献[2]采用差异沉降法推算主体倾斜，精度较低，需要积累基础差异沉降数据，对于一些没有积累沉降数据的构筑物并不适用。文献[3—5]采用全站仪观测法计算构筑物的倾斜量，但需要组成最佳观测图形才能保证观测精度，对于高耸塔形构筑物其监测点也不易施设，因此其应用有一定的局限性。GPS定位技术检测法易用于可攀登的民用构筑物倾斜变形观测。文献[6]提出了平面拟合的高程建筑物倾斜观测方法，观测手段是基于传统的前方交会。也有将地面三维激光扫描仪引入变形监测中的，如文献[7]分析了地面三维激光扫描仪技术在变形监测领域的数据处理流程。

由于地基土的物理力学性质而出现的不均匀性，以及其他环境因素(风荷、日照辐射等)的影响，都将导致高耸建筑物产生偏离垂直轴线的偏差[8]。因此，高耸塔形构筑物倾斜观测的关键是测定构筑物顶部中心点相对于底部中心点的位移矢量[9]。电厂内的塔形构筑物(如烟囱、水塔等)常常位于复杂密集的各类构筑物之中，并且塔形构筑物一般较常规构筑物高，其塔顶及塔体外部不易攀登。因此大部分常规倾斜观测手段要么观测条件受限，要么精度较低且只能间接地反映被测物体的倾斜数据。

现在的高新技术大大改变了数据的获取方式，并且还在继续改变着[10]。当人们体验了三维化的动态导航和身临其境的可视化效果之后，将更加习惯和期待使用三维方式展示目标物体的特征信息[11]。伴随着静态激光扫描仪测距定位精度的提高，用它来代替全站仪作为数据获取手段已经成为趋势。有国外测量学者曾使用1″精度的全站仪和三维激光扫描仪进行过对比试验，试验结果证明了两种测量方式的结果基本没有差别[12-13]。传统方法对塔形构筑物的观测是单点观测，无法采用三维的方式描述构筑物的整体变形。本文通过扫描散乱点云数据，推算和验证了三维激光扫描仪应用于高耸塔形构筑物倾斜量计算的可行性，并得出高耸塔形构筑物的倾斜变化情况，最后实现了点云数据倾斜量计算的一键式成果输出。

1 点云数据中心提取方法

1.1 中心点提取

本文通过提取不同高度处离散点的中心来反映构筑物的水平位移量。

离散点满足共线方程

x2+y2-2ax-2by+a2+b2=r2

(1)

式中，中心半径参数分别为

则有

离散点平方和为

(2)

约束条件为Qa,b,c最小。

则可得出

1.2 解算空间直线方程

中心点满足方程

Ax+By+Cz+D=0 (C≠0)

(3)

约束条件为

其中

即

(4)

即

(5)

2 试验及结果分析

2.1 试验场地选取

选取能见度较好的时间进行数据采集，本文选择两台脉冲式三维激光扫描仪进行数据采集，设备的具体技术参数见表1。

表1 扫描设备的技术参数

2.2 传统观测方法计算

采用传统全站仪观测方法，获取塔形构筑物的倾斜观测结果见表2。

2.3 基于点云数据的倾斜量计算

以基准面中心点为基准，将不同高度的中心点投影至基准面的距离记为偏移量，偏移量与两点之间高差的比值为倾斜率。绘制偏移量和倾斜率，如图1—图2所示。

拓普康中密度扫描数据在高程为87.9 m处的偏移量较大，且脱离了数据整体的变化趋势，认为此点为噪声点。87.9 m处的点云数据如图3所示。

表2 某构筑物倾斜观测成果

点沿轴线方向的空间直线，如图4—图5所示。

进而得出构筑物倾斜观测量与传统测量结果对比，见表3。

Topcon中密度扫描数据和Riegl高密度扫描数据的结果可靠性更高，符合前文线性分析的结果。两者的观测误差分别为0.001°和0.005°，每千米的误差偏移量分别为0.017和0.087 m。

表3 冷却塔倾斜率整体计算结果

3 结 语

本文以三维激光散乱点云数据为研究对象，提出了一种适合于快速计算高耸塔形构筑物倾斜量结果及其分布规律的计算方法。首先扫描获取塔形构筑物的外表面激光散乱点云数据，建立塔形构筑物的表面模型，生成构筑物中心沿轴线方向的排列数据，得到可靠性最优的轴线分布数据，从而得出塔形构筑物空间上的偏移量和倾斜率。通过分析得出基于激光散乱点云的塔形构筑物中心点沿轴线的倾斜结果与传统的极坐标观测方法观测的结果的角度误差为0.005°和0.001°，倾斜量误差为：0.000 05和0.000 1 m，数据结果可靠性较强。本文提出的计算方法简单快速且精度较高，不仅改进了传统观测方法的局限性和烦琐性，而且可以获得构筑物整体和局部的偏移量变化特征，为塔形构筑物的施工、维修和重建提供了基础模型数据，在很大程度上提高了数据采集和处理的效率。