建筑变形测量的技术应用分析

袁永东

【摘要】为了及时掌握建筑的变化情况和结构形态，要注重建筑的变形测量研究，传统的单点测绘技术逐渐暴露出滞后性，为此要引入高精度、高效率的三维激光扫描技术，快速采集和获取建筑物的三维点云信息，反映建筑物的表面特征，精准高效地完成建筑物的变形测量。

【关键词】建筑;变形测量;三维激光扫描技术

传统变形监测手法仅限于某一点的测量，且须设置多个监测点，进行长时间的变形监测，这种方法存在较大的局限性。为此本文重点探讨更加高精度和高效率的三维激光扫描技术，精准高效地获取地表建筑物的表面信息，并能够从点、线、面等不同维度进行建筑物的变形测量和分析。

1、三维激光扫描建筑变形测量原理分析

三维激光扫描测量技术主要由扫描仪的激光器发射激光脉冲，依据脉冲由发射到返回的时间差，计算获取扫描仪坐标原点至被测物体表面的距离，测量出激光脉冲发出时的水平扫描角度/垂直角度的观测值。相关软件主要采用Riscan Pro数据处理软件，进行扫描仪控制、数据获取及拼接、导入、导出处理等，生成高质量的点云数据，自动将点云数据转换为多边形，并将多边形转换为NURBS曲面，通过曲面分析、公差分析等不同方法，获悉被测对象的点云变形监测状况。

三维激光扫描测量的作业方法和流程主要包括以下内容：（1）获取野外数据。要进行现场的踏勘，预先了解和把握被测区域、扫描对象的具体情况，合理确定扫描站点和控制点，获取多个测站的三维点云信息，并运用公共标靶进行多测站扫描数据的拼接，形成完整的某一相同坐标系下的三维点云数据。在测量区域内构建测量控制网，测定若干控制点的平面位置和高程，布设专用的变形监测控制网，如：水平位移监测网、沉降监测网，进行野外数据的采集，在标靶中心高程测量的前提下，做好扫描前的数据准备，开展野外数据采集工作。（2）点云数据的预处理。考虑到三维激光扫描技术获取点云数据的庞大、杂乱特点，要对点云数据进行简单的预处理，对于观测数据表面以外的杂点要进行点云去噪处理，仅存留建筑物体表面的点，减少后续处理的工作量。还要进行点云拼接预处理，对于不够完整的点云数据信息要将多站扫描坐标系下的点云数据统一到相同坐标系之下，完成点云完整性拼接处理。

在运用三维激光扫描测量技术的过程中，要进行被测建筑物体的变形基元提取，具体包括以下方面：（1）变形点基元的提取。采用三面角提取的方法，由建筑物的门、窗、屋檐三个平面相交得到的交点获取变形点，并拟合各平面的平面方程。（2）变形线基元的提取。主要采用二面棱的方法提取被测建筑物的变形线，计算获悉建筑物的倾斜位移情况。另外，要对不同时期获取的多期点云数据进行变形分析，具体分析方法有：（1）点云和点云的直接对比分析。将不同时期相同坐标系下的点云数据直接求差，获悉被测物体的变形状况和数值。（2）点云和平面的对比分析。可以利用三维激光扫描技术提供被测对象表面高密度的三维信息，利用TLS点的高密度实现由点到面的变形分析。（3）面和面的对比分析。计算获取不同时期相同平面的法向量，基于第一期平面数据的法向量前提，计算获悉法向量的夹角，根据法向量的夹角是否为零判定该平面是否存在变形现象，当法向量夹角为零则表明该平面没有变形，反之则存在变形。

2、三维激光扫描测量技术在建筑变形测量中的具体应用

某建筑为四柱三间三楼式的石构牌坊，通高为9.65m，在常年地基下沉、风雨侵蚀和人为破坏影响下，存在相对严重的整体/局部倾斜，为了准确全面反映建筑体的整体变形情况，要进行精准高效的倾斜测量，在距离建筑体60m外的地方布设三个基准点，附近布设4-6个变形观测点，形成变形测量坐标框架。

要进行被测建筑物的首期变形测量，获悉变形体初始状态，计算各块变形体的初始平面位置、标高、方向、姿态、长度等，要拟合一条直线作为变形量测的基准线，并由基准线和基准面构成变形坐标系，计算被测对象的重心位置，进行变形分析。

2.1 数据采集

采用NET05全站仪搭建独立的平面控制网和高程控制网，运用三维激光扫描仪进行建筑物的原始点云数据获取和三维形态重构，核心站的扫描分辨率为5mm/10m，主要进行建筑物的基础不均匀沉降变形测量、石柱变形测量，并提取变形基元，计算变形参数。

2.2 数据的预处理

考虑到三维激光扫描技术变形测量过程中的诸多不可控因素，要对点云数据进行预处理，去除点云数据周边的杂质点，删除监测对象周边的冗余点云，进行点云数据的抽稀处理，缩减点云的数据量，加快点云数据处理速度，并将多个测站的点云数据拼接至同一坐标系，使之成为完整的点云数据体系，确保点云数据处理分析的精度和速率。

2.3 数据变形分析

分期进行被测建筑物的3次变形测量，进行数据对比和变形分析，获悉各分层的变形情况和趋势。具体包括以下内容：（1）须弥座沉降及倾斜变形分析。通过绘制基座沉降图分析可知，前后两年的基座整体均匀沉降分别为0.4mm、2.7mm，主要是由于土质湿润和机械施工所导致的，并且不同观测点的沉降量存在一定的差异。（2）石柱倾斜分析。通过对被测建筑物的三期测量可知，不同石柱均存在一定程度的倾斜角和偏移量，倾斜变形最大的石柱为4.1mm。（3）檐楼和门枋倾斜分析。檐楼南北两端的倾斜较为明显，通过三维激光扫描变形观测，可以计算得出观测线与垂线夹角和倾斜方向，据观测获取如下数值：

由上可知，被测建筑物的总体状态大体稳定，基座是产生建筑物变形的主要根源，因基座的不均匀沉降导致北部的基座顶部高出南面，基座最大沉降为3.3mm，平均下降2.7mm，没有明显的倾斜变形。

结语：

综上所述，三维激光扫描技术体现出不可比拟的优势特点，能够较好地适用于建筑变形测量实践之中，转变传统变形监测手段的局限性，依循相应的原理和流程，完成被测建筑的点云数据获取、点云数据拼接和地理化等工作，高效精准地获取被测建筑的变形状况和趋势。

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