三維激光掃描儀對古建筑的變形監(jiān)測

焦琪琳　王瀚　李思遠(yuǎn)　魏歌頌　柳君妍

【摘要】與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有非接觸性、速度快、密度高、精度高、穿透性強、自動化等特點。這種測量方法使得對建筑物的變形監(jiān)測工作更簡化，更易控制。簡要介紹了三維激光掃描儀的工作原理，建筑物變形監(jiān)測的內(nèi)容和方法，以及數(shù)據(jù)的采集和處理。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù)古建筑變形監(jiān)測點云

1? 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀一般分為脈沖式、相位差式和三角測距式三維激光掃描儀，應(yīng)用最為廣泛的是脈沖式三維激光掃描儀。三維激光掃描系統(tǒng)主要分為激光測距和激光掃描系統(tǒng)，利用激光測距原理，通過掃描儀發(fā)射激光和脈沖在物體之間的往返時間來進(jìn)行測距，對物體進(jìn)行掃描，獲取被掃描物體上大量點的三維坐標(biāo)信息和掃描點的反射強度，最終對獲取的所有坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到點云數(shù)據(jù)，利用點云進(jìn)行被測建筑物的三維建模，并對其進(jìn)行變形分析。

掃描儀發(fā)射激光束，遇到被掃描物體后返回接收器，以此獲取與被測點p之間的觀測距離S，編碼器同步測量每條光束橫向角度α和縱向角度θ。掃描儀一般是以自身的坐標(biāo)系，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸與X軸垂直并且在同一平面內(nèi)，Z軸與X軸Y軸相互垂直（如圖1）[1]。

由此可得被測目標(biāo)點的坐標(biāo)公式：

X=S×cos^θcos^α

Y=S×cos^θcos^α

Z=S×sin^θ

2? 數(shù)據(jù)的采集

在數(shù)據(jù)采集之前需要用RTK測定多個控制點，用于架設(shè)測站。對古建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要根據(jù)其周圍具體的情況設(shè)置多個測站點、多個機位，以避免測量的數(shù)據(jù)不完整。設(shè)置測站的多少要依據(jù)古建筑的大小、形狀、位置來確定，為了避免數(shù)據(jù)處理時點云的誤差太大，要保證多個測站點對靶標(biāo)的測量，這樣很大程度的減少誤差。測站點的距離設(shè)置適中，距離越遠(yuǎn)精度越差。在確保了精度的情況下，對古建筑的變形監(jiān)測中我們主要需要獲取的是變形數(shù)據(jù)，就是不同時間段的靶標(biāo)的不同的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)靶標(biāo)的數(shù)據(jù)把多的測站點的測量數(shù)據(jù)相聯(lián)系在一起，形成一個整體，對比不同時間段的數(shù)據(jù)獲取變形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集需要采集的數(shù)據(jù)主要有標(biāo)靶的三維坐標(biāo)、建筑物的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

3? 數(shù)據(jù)的處理

通過三維激光掃描技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)量非常龐大，通過對點云的處理使其能轉(zhuǎn)換成三維模型。由于掃描儀所使用的坐標(biāo)系是以自身測站位置為坐標(biāo)原點的獨立坐標(biāo)系，而大型建筑物往往是多個測站進(jìn)行掃描，因此由掃描儀獲取的多個點云圖的點云坐標(biāo)并非處于同一個坐標(biāo)系下，需要轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的坐標(biāo)，以便于數(shù)據(jù)的處理。

3.1? 點云去噪。因為數(shù)據(jù)采集時會包含一些無法預(yù)知的情況，比如掃描現(xiàn)場中有人員經(jīng)過，有小鳥飛過，或者由于天氣原因，空中有紙片、灰塵等，或者因為儀器本身存在的誤差出現(xiàn)的高于房屋的點以及在地面以下的點，會導(dǎo)致觀測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)掃描對象表面以外的雜點，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果的不理想。因此要去除這些噪聲點，以保證之后三維建模的精度?？衫肨rimble Realworks處理軟件進(jìn)行點云去噪，去除與被掃描物體無關(guān)的噪聲點。

3.2? 點云拼接。使用三維激光掃描儀對古建筑物進(jìn)行掃描的時候，一般要在建筑物的四周設(shè)站，使用掃描儀在多個測站進(jìn)行掃描，以便得到完整全面的建筑物三維信息，三維激光掃描儀得到的多個測站的數(shù)據(jù)信息只能得到其掃描范圍內(nèi)的信息，整個建筑物的完整數(shù)據(jù)需要對多個站點的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。當(dāng)被掃描物體太大時，視線的限制或者掃描現(xiàn)場過于復(fù)雜等各種原因的影響，可能會出現(xiàn)某一站作業(yè)不能完整被掃描場地或者物體的全面信息，因此需要從不同的角度、多個測站掃描的方法才能獲得全面的信息，需將點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系后進(jìn)行點云拼接。

3.3? 三維模型的建立。以上獲取并處理后的點云數(shù)據(jù)可通過AutoCAD或者其他建模軟件繪制建筑模型的平面圖、立面圖等，可以在計算機中構(gòu)建出物體的三維模型，這些模型并沒有與實際物體相對應(yīng)的紋理，即沒有色彩，只有物體的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.4? 貼紋理。貼紋理的目的是利用紋理色彩還原三維模型，使模型更為逼真。其原理就是使用實際拍攝的真彩色影像把紋理色彩映射在三維模型上，使三維模型更為貼合真實物體，從而依據(jù)模型進(jìn)行多重分析，也可在其他可視化軟件比如3DMAX中導(dǎo)入三維立體模型。

4? 結(jié)束語

古建筑產(chǎn)生變形的原因是多種多樣的，其變形監(jiān)測的目的在于確保建筑物能夠保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ζ浯嬖诘陌踩[患作出及時的預(yù)測，采取有效的預(yù)防措施。目前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測，相比傳統(tǒng)的測量方法，它具有一系列的優(yōu)越性，為大型古建筑監(jiān)測保護(hù)工作提供了有力的技術(shù)手段。

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