三维激光扫描技术在高层建筑形变监测中的应用

张向阳 钟棉卿

（甘肃正昊测绘工程有限公司 甘肃天水741000）

1 引言

近年来，我国各大城市兴起了建设高层、超高层建筑的热潮[1]，给传统的建筑形变监测方法带来巨大的挑战。建筑形变监测指周期性地对建筑物开展沉降、水平位移、倾斜、裂缝和挠度监测等[2]，掌握建筑物的形变规律，为后续处理方案提供数据支持。传统的变形观测方法[3]，如水准测量、三角测量、全站仪、导航卫星测量等，生产成本高、工作效率低，在狭窄的城市区域采集高层及超高层的测量数据难度大，难以保证高层建筑形变数据的完整性与精确性。高层建筑形变监测需要很高的测量精度，且观测时间跨度大[4]，观测时间长，测量工作的效率和数据成果的精确可比性至关重要。

三维激光扫描技术是20 世纪90 年代开始迅速发展的一项高精度快速测量技术[5]，它突破了传统的单点数据采集方式，在保持数据高精度的同时大幅提高了数据采集的效率，被称为“实景复制技术”[6]。本文尝试利用三维激光的技术优势实现高层、超高层建筑外部变形任务，探讨应用三维激光扫描技术进行高层建筑形变监测的方法，并讨论其技术适应性，为相似的工程提供有效的解决方案。

2 高层建筑形变监测技术要求

建筑形变监测是针对建筑的位移、沉降、倾斜等现象的监测与测量工作，测量建筑物的沉降观测、位移（包括垂直位移与水平位移）、挠度、倾斜与裂缝等的变化量及速度。针对高层建筑，可使用多期数据构建形变建筑的整体刚体运动模型来表现高层建筑物整体的姿态变化[7]。

沉降观测的等级和精度要求应视工程规模、性质及沉降量的大小和速度而定，对于同一建筑物可以随沉降量及速度的变化而采用不同的观测精度。应在能全面反映建筑物及地基变形特征，并估计地质与建筑结构的特点来设置一定数量的沉降观测点，如高层建筑的转角及柱基上，高低层建筑物、纵横墙等交接处，承重墙中部，建筑物竖向轴线或其平行线的顶部和底部，分层倾斜观测点宜分层布设高低点等。并按照规程设置相应的观测标志。

变形监测的施测精度应严格按照规范要求[8]。另外，《建筑变形测量规范》中推荐的方法，如几何水准法、全站仪水平位移测量、卫星导航定位测量系统、经纬仪投点法、前方交会法、正垂线法、激光准直法、差异沉降法、倾斜仪侧记法等，常受作业人员、仪器、外界作业环境等影响，在变形监测方案设计中考选择最佳观测时段并在相近的环境条件下观测。

3 三维激光扫描技术在高层建筑形变监测中的应用

3.1 三维激光扫描技术简介

图1 三维激光点云（红色）

三维激光扫描技术通过为高频激光测距系统配置自动扫描控制装置而实时改变激光束的方向，使动态激光束能测量到仪器周边环境内所有无遮挡的地物表面，获取大量的目标对象点云(如图1 所示)。作为一种先进的新技术装备，三维激光扫描仪迅速的引起了各行业的关注。它极大的改善了数据采集的效率，使单点测量向面测量突破。目前，三维激光扫描技术已经成功应用于逆向工程、建筑、城市规划、文物保护、数字城市等。其技术优势还体现在[9]：

（1）非接触测量，不需要接触被测物体的表面，能解决人无法到达区域的测量问题，减小了高层建筑测量的危险性。

（2）高分辨率，三维激光扫描仪以极高的频率发射激光束，每秒钟发射几十万到上百万激光点，以mm 级、cm 级的分辨率采集被测物体表面密集的点云。

（3）信息量丰富，三维激光扫描技术无差别的获取无遮挡的被测物体的密集点云信息，对于建筑的实景保持度高，能反映出比较全面的变形特征。

（4）数字化程度高、扩展性强。三维激光扫描仪测取的点云能与常规的软件如AutoCAD 绘图软件，TXT记事本文件等进行数据交换及共享，具有较好的扩展性。

3.2 流程与方法

使用三维激光扫描技术开展建筑物整体形变监测共分为4 个步骤：数据采集、点云数据预处理、形变特征提取及形变成果整理。

3.2.1 数据采集

三维激光扫描仪全自动采集数据，只需要提前设定扫描的参数，仪器就能在几分钟内自动化的扫描周边场景。由于测程、遮挡等问题，高层建筑可能在一次扫描中不能采集到完整数据，这时就需要多次设站扫描，再通过软件将多次设站的点云拼接起来，形成建筑整体。

3.2.2 点云数据预处理

点云数据的预处理一般包括去噪、拼接、精简、分割等步骤。高层建筑的整体变形主要体现在建筑物的边界线、中线、柱中线、分层线附近，其余典型的变形特征，如裂缝、结构弯曲等也应该保留下来。由于测量距离及遮挡等因素，整体建筑物点云可能需要多站采集的数据拼接而成，一般商用三维激光扫描系统提供自动拼接的软件，利用标靶或可识别的显著特征点作为控制点进行刚性变换，以实现多站扫描数据的拼接。扫描体表面布满密度极大的点云数据，存在大量冗余，有必要对其进行精简处理，可使用软件提供的方法自动化的对数据进行抽稀。为反映建筑整体的变形特点需要分离出一些变形特征，可将三维空间点云分割到各建筑立面、剖面上。

3.2.3 建筑物变形特征提取

（1）建筑立面提取

建筑立面的获取首先要计算精确的立面法向量，本文采用主成分分析（PCA）算法求取协方差矩阵最小特征值对应的特征向量作为立面的法向量。而后将立面点云向该平面投影。

（2）监测点识别与提取

对于布设了变形标志的监测点需要从点云中识别出来，对于未设置变形标志的也可以选择特征显著的拐点、多边形中心、交点等作为长期追踪的监测点。监测点应特征明显，易于从点云数据中识别与提取。

（3）提取特征线

变形特征除了反映在一些明显的点运动之外，线特征的变化能反映一些整体性的变化，如建筑中线的偏移、建筑立面边线的形变特征等。

3.2.4 形变成果整理

形变监测的成果包括各监测点的点位分布图及其变形曲线。如沉降变形曲线、水平位移曲线，楼体外轮廓的倾斜度等。

4 工程实例与对比分析

4.1 工程概况

监测对象为甘肃省兰州市某广场的一栋综合楼，地下2 层，地上19 层，裙楼3 层，总建筑面积约23830m2，主楼建筑高度61m，属于高层建筑。按照二级监测的技术要求进行监测。项目监测期为建筑物结构封顶后3 年内，采集方案的采集间隔为前三个月每月一期，此后6 个月每三个月一期，剩余时间每半年一期，直到结构变形趋于稳定。

本项目采用徕卡Leica HDS6000 三维激光扫描仪采集数据，每期设站6 次，通过Cyclone 软件进行精确匹配和拼接获得完整的建筑点云，经精简后剩余点云数量113.4 万左右，50m 距离处的测量精度3mm。图2 为一个拐角处获取的建筑点云效果图

图2 建筑点云效果图

4.2 实施流程

在距离大厦一侧40m 左右的一栋7 层办公楼的拐角、楼下门墩、外楼面上选择了4 个视野开阔的明显点位作为沉降观测的基准点J1～J4，扫描时以较近的测距覆盖这些点。通过多期监测数据表明，这些点的相对位置没有明显的变化，四点形成的6 条边的距离中误差±0.13mm，表明选择的基准点稳定，为使监测数据统一，选取了办公楼外墙面上的J2 点为监测楼体变形的比较基准。

由于前期未布设监测标志，本文以监测建筑的墙角处的竖向线条为特征线，以层间线与竖向线条的交点为形变监测点，共提取了16 条特征线，每层9 个监测点，共144 个监测点。图3 展示了某监测点在各期的沉降变化趋势。根据《建筑变形测量规范》，对高层和超高层建筑应进行倾斜观测。本文根据竖向特征线的变形特征提供每期的倾斜测量值。

图3 某监测点的沉降位移趋势

4.3 与全站仪法的比较

为评价三维激光扫描技术的测量精度与效率，在第一期采用0.5mm 级高精度全站仪采集同等位置的形变监测数据。实践表明，在狭窄的市区，采用全站仪免棱镜模式很难采集到所有的形变点，仅测取到建筑物的变形特征点79 个，占监测点总数量的55%，其余点由于遮挡、视角或没有合适的设站点而无法采集。随着楼层高度的增加，量测的难度逐渐增大，楼顶仅采集到一个点的数据。从测量精度上，受限于人眼的分辨率，建筑整体的倾斜测量施测难度大，全站仪测量两点间的相对位置静精度不及三维激光扫描仪稳定。另一方面，全站仪测量的效率低，共花费3.6h，而三维激光扫描仪仅花费35min。实践证明，三维激光扫描技术在测量精度和效率上都优于全站仪，但全站仪获取的监测数据少，后期数据处理简单。

5 结束语

使用传统建筑变形监测方法检测高层建筑的形变存在技术局限性，如强度大、效率低、不能完整的获取整体形变特性等。本文根据高层建筑形变监测的技术要求，基于新兴的三维激光扫描技术的优势，探讨了应用三维激光扫描技术开展建筑物整体形变监测的方法，并基于一个工程实例验证了新技术的优势与技术适应性，给相似工程提供借鉴。