徕卡MS60全站扫描仪在电厂烟囱倾斜监测中的应用分析

沈翀 范晓进 汪志飞

摘 要 本文借助于徕卡MS60全站扫描仪来完成了对电厂烟囱倾斜监测任务，通过对烟囱的点云数据来分析烟囱的倾斜程度，极大地提升了工作效率与数据的准确性，也丰富了数据资料的直观性与可视性。

关键词 徕卡MS60扫描仪;点云数据;烟囱倾斜监测

Abstract Leica MS60， which can obtain the point cloud， was used to monitor the inclination of power plant chimney. We analyzed the point cloud of chimney to evaluate the inclination of chimney， which not only improve the monitoring efficiency and data accuracy but also enrich the intuition and visibility of data.

Keywords Leica MS60; Point cloud; Inclination monitoring of chimney

引言

某电厂烟囱高约120m，该烟囱在使用过程中可能会由于不均匀沉降而产生倾斜，所以对其进行倾斜变形监测，为后续治理提供准确数据。对于烟囱这样的塔式建筑，传统倾斜监测方法通常有2种：纵横轴线法和前方交会法。文献[1]中对两种方法进行了比较，纵横轴线法主要适用于监测烟囱临近有空旷场地的情形，前方交会法主要是通过在烟囱附近设置2个观测基点，用前方交会法测量观测点坐标的变化，以确定其位移值和倾斜率。此方法适用于建筑物较高，现场地形条件受限情况下的倾斜监测。

本文中利用徕卡MS60全站扫描仪进行烟囱三维扫描，利用得到的三维激光点云数据来分析烟囱的倾斜程度。徕卡 MS60全站扫描仪则结合了超高精度全站仪和三维激光扫描仪的优点：①它具有0.5秒级别的超高测角精度，是业内测角精度最高的全站仪产品;②与常规全站仪相比，MS60同时又具备三维激光扫描的强大功能;③同传统大空间三维激光扫描仪相比，徕卡MS60全站扫描仪所获取的点云数据可自动保留坐标信息，无需对点云数据进行后期拼接，提高外业扫描精度以及减少内业处理的工作时间。

1测量过程与方法

被监测烟囱如图1，在被监测目标烟囱周围设置3个架站角度，尽可能完全包覆烟囱。设置全站扫描仪测站位置，每一个测站尽量多地获取到被测烟囱的点云数据;以1000Hz的频率进行扫描，每个扫描区域以多边形框选，框选范围不易过大;考虑到时效性，每区域扫描时间均控制在1小时左右。考虑到作业现场环境复杂，扫描结束后，可在机载软件中查看实时扫描情况，以防漏扫。

现场监测操作具体流程如下：

（1）将现场已有控制点数据输入至全站扫描仪中，进行设站定向;

（2）设站完成后，选择全站扫描仪的扫描功能，针对扫描区域的进行多边形框选，框选区域完成后，进行全景照片的拍摄获取，生成完全景照片后，针对当前选择的多边形区域进行免棱镜测距，计算烟囱最远端到仪器的距离，通过水平、垂直间隔来设置点云的密度，通常我们选择以最远处的距离进行5mm左右的点间隔进行扫描作业，设置好扫描的参数后，进入扫描过程，等待扫描数据获取结束，机载点云查看工具会自动弹出当前扫描完成的点云数据，进行初步查看，用以了解当前测站下获取的点云数据是否达到我们的理想数据状态;

（3）随后再进行仪器的搬站，重复之前的操作，进行获取点云;

（4）最终三个站点均扫描结束后，进入到项目作业中，查看完整的目标点云数据，通过旋转、平移、放大等多种浏览工具查看点云数据的完备性。

2点云数据处理及三维建模

2.1 点云数据处理

现场扫描结束后，将三维点云数据导入至徕卡infinity点云管理软件中，在软件中查看扫描数据，将点云的噪点及冗余点删除，可以切换多个视角检查从而确保将噪点及冗余点全部清除。最终将点云输出为PTS格式用以处理建立三维实体模型，点云数据如图2所示。

从点云的显示效果来看，实测烟囱的点云分辨率和纹理清晰度与现场符合性一致。点云数据可以用于后期对烟囱的建模以及倾斜分析。

2.2 三维建模

将PTS格式的点云数据导入Geomagic Design X软件中进行三维逆向建模处理，相较于以往的单点数据来说更加准确与直观，如图3所示。可实时查询到所查询的尺寸位于模型的位置区域。

通过对烟囱数据的建模，可以模拟出烟囱的中轴线以及任何位置的圆环信息。在已知该煙囱设计数据的情况下，就能通过与模拟数据的比较结果来分析烟囱的倾斜程度。

如果没有烟囱设计数据，也可以通过模型与点云色谱相结合来分析烟囱倾斜程度，如图4所示。

3结果分析

本文中对电厂烟囱进行两期扫描，获得两期点云数据。分别通过单期烟囱模型与点云色谱比较以及两期点云色谱比较来对烟囱倾斜监测结果进行分析。本文中对烟囱倾斜程度进行量化，单期点云通过点云与烟囱模型的残差来衡量烟囱倾斜程度，残差绝对值越大，烟囱倾斜越严重;两期点云通过相同位置点云的差值来衡量烟囱倾斜程度，差值绝对值越大，烟囱倾斜越严重。

同时为了对本次扫描结果进行验证，采用了全站仪对烟囱的四个环面进行监测，将监测结果与扫描结果进行对比。

3.1 单期点云数据

单期烟囱点云数据建模，再与点云色谱融合，如图5所示。

通过色谱可以看出大部分模型与点云的残差都在5cm以内，残差最大的位置位于烟囱高度40m附近，此处的残差值接近10cm，说明该烟囱目前倾斜程度不大，处于健康状态。

3.2 两期点云数据

将两期烟囱点云色谱融合对比后，如图6所示。

通过不同时间烟囱的点云数据进行比对可以直观地反映出这段时间内烟囱的变形情况，从烟囱两期点云对比色谱图中可以看出这段时间内，点云数据差值都在2cm以内，其中绝大部分数据差值在1cm以为，从而很好的证明了该烟囱在此期间内没有发生大的倾斜。

3.3 扫描仪结果对比

分别在2018年8月15日和2018年12月3日对烟囱四个不同高度的环面利用全站仪进行监测，得出四个环面的圆心坐标与圆心设计坐标之间的差值，通过差值来评价烟囱的倾斜程度。两期全站仪烟囱倾斜成果见表1。

从上表中可以看出，烟囱在不同高度处均有一定的倾斜，但其倾斜量△A和△B均在2cm以内，说明烟囱自开始监测以来，没有发生大的倾斜。

全站仪监测烟囱倾斜结果与全站扫描仪监测结果一致，证明了全站扫描仪可以作为一种新方法用来监测电厂烟囱的倾斜程度。

4结束语

传统的烟囱倾斜测量手段基本都需要本人操作全站仪进行免棱镜观测，对于超高的烟囱倾斜监测其工作量非常大。本文中采用的徕卡MS60全站扫描仪不仅可以自行观测，而且获得的点云数据还具有可视化功能。本文通过对某电厂烟囱两期扫描获得的点云数据进行了分析，并与全站仪监测烟囱的结果进行了比较，非常直观地反映出了该烟囱的倾斜状况。同时也为烟囱类塔式建筑物的倾斜监测工作提供了一种新的解决方案。

参考文献

[1] 付宏平，常颖.厂区烟囱倾斜变形测量[J].测绘通报增刊，2001（z1）： 29-30.