吴元琦
广西安科岩土工程有限公司 南宁 广西 530012
摘要: 激光三维扫描可以大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，快速重构建筑的立体模型，应用于工程建筑物变形监测、火电厂基坑变形监测等多个方面。通过实例数据，分析研究激光三维扫描监测火电厂烟囱变形的应用。
关键词: 激光三维扫描; 变形监测; 烟囱
1、引言
激光三维扫描源于激光雷达( LiDAR) 测量技术，是20 世纪90 年代发展起来的一种快速获取物体三维空间信息的技术手段，是空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术结合而产生的一项新测绘技术。该技术通过非接触式主动测量可进行大面积高密度空间三维数据的采集，使测绘从传统的单点数据采集转变为密集、连续的自动数据获取，极大的增加了信息量，提高了工作效率，拓宽了测绘技术的应用领域。激光三维扫描可以实现大型工业结构件、房屋建模、工程建筑物变形监测，矿山、隧道测量以及地形地貌监测等多个方面。本文将通过实例数据，分析研究激光三维扫描监测烟囱变形的应用。
2 变形监测流程与精度分析
三维激光扫描仪变形监测的流程主要分为数据采集、数据处理、数据分析三部分，作业
步骤主要有：(1) 利用全站扫描仪的高精度测角测距特点和DNA03 电子水准仪布设形变监测网；(2) 烟囱筒身三维扫描测量，受限于扫描距离和精度影响，筒身130m 以下采用扫描测量模式，130m 以上采用自动免棱镜测量模式，两种模式还需要有数据重合，见图1 ；(3) 输出点云数据进行处理，经过点云去噪、构建三维模型、横切剖面拟合圆心等步骤，利用圆心坐标偏差量进行形变分析。
全站扫描仪单点定位的精度评定分为免棱镜测量精度和扫描精度两部分，采用扫描模式
时，距离噪声即扫描点和拟合表面的残差标准差( 测点中误差) 在200 m 范围内能达到3 mm，采用免棱镜模式时的测距精度为2+2 ppm。实际布设监测点时测站到烟囱的平均距离在100 m，再根据烟囱高度和数据采集区域划分，可分别计算扫描模式的测点精度约为3 mm，免棱镜模式约为2.5 mm。如果同时考虑监测网点位中误差、仪器对中整平误差、数据处理剖面拟合误差等误差，全站扫描仪监测的精度为：根据一般的工程经验，可考虑监测网点位中误差一般约2 mm，仪器对中整平误差约2 mm。加上扫描仪本身的扫描误差及拟合误差，可知这样的单点定位精度还是不能完全达到高精度变形监测的要求。
3 提取特征圆面整体监测方案
由上分析三维激光扫描仪单点定位精度不能满足高精度变形监测的要求，因而考虑利用数据拟合目标几何特征的方法来分析，基本思路为：烟囱本身是一个整体，顾及点云数据特点，利用最小二乘法提取烟囱的特征横剖面，然后根据不同高度横剖面的拟合圆心，可计算其与基准圆的偏移量及斜率。对比多期的偏移量及斜率，采用统计检验的方法整体评价烟囱是否变形。
4 实例分析
4.1 电厂案例分析一
以某电厂烟囱为例，该电厂正在建设中，烟囱于今年2 月中旬封顶完工，处于稳定期。在烟囱周围布设由6 个监测点组成的高精度监测基准网，见图2。监测基准网布设后，分别于4 月1 日和5 月20 日各进行一次全面扫描观测。利用LeicaNova MS50 型全站扫描仪广角相机和望远镜相机用于粗略照准，定义扫描区域及拍摄全景图。选择测站时保证扫描数据没有遗漏；对需要扫描的区域进行横向及纵向扫描点间隔的参数设置。扫描完成后在另一控制点上设站，再以同样的方法架站进行扫描操作，最终完成所有数据的采集。
数据采集完后，将原始数据导入到Leica Cyclone 数据处理软件，多站的扫描点云数据可通过绝对点坐标完成自动拼接，不需要靶标的辅助，且拼接精度很高，作业时即可在仪器上查看拼接效果。拼接后的点云数据模型及横切剖面，将Cyclone 软件处理后的点云数据模型导出，用Geomagic studio 软件提取该模型底部5 m 处剖面数据，剔除粗差后用最小二乘法拟合圆心坐标。以此剖面作为基准，对点云数据模型按一定间隔提取横切面点云数据，计算不同高度剖面的偏移量，结果见表1 和表2。提取的多组特征数据，为全面监测变形铺垫基础。
由表1 和表2 可知，第一次观测中，各剖面的倾斜率很小，最大0.81‰，最小值0.17‰ ；
第二次观测中，各剖面的倾斜率最大1.09‰，最小值0.21‰，两次观测结果均满足烟囱规定
的2‰允许值。两期观测的倾斜变形在数值上大小不完全相同，也有正负，因而可以利用误差理论的方法分析是否存在变形。通过统计检验，假定倾斜变形值是偶然误差，则烟囱不存在倾斜变形，变形值是由观测误差引起的。
4.2电厂案例分析二
某电厂一期工程厂址位于位于某县碧里乡将军帽村，场地东、南、西三面临海，北面与半岛相连，北接罗源湾港区的牛坑作业区，东邻将军帽作业区。工程项目每天爆破次数较多，对厂区建构筑物存在潜在的影响，受业主委托山东院课题组承担了该项目的变形监测任务。按相关要求在厂区内外布设了变形监测基准点，基准点采用灌注桩方式浇筑，深度达到厂区地基基岩。在对基准点进行了检核，高差闭合差，每公里高差中误差，高程中误差满足现行规范的前提下对全厂建构筑物进行了变形监测。使用徕卡TS50 测量机器人、RIEGL VZ400i 三维激光扫描仪、徕卡 GNSS 和DNA03数字水准仪，数据处理采用RISCAN PRO 软件。具体作业步骤包括：三维激光扫描、GPS 控制测量，测量机器人对烟囱埋件交会测量，数据融合处理和分析。
4.2.1 数据采集
首先使用将测量机器人架设到控制点观测墩观测烟囱顶端预埋标志，然后进行扫描的同时将扫描仪内部GPS 与控制点架设GPS 进行同步静态联测，保证点云坐标与厂区坐标统一，并对烟囱顶端的预设埋件进行精细扫测，并将扫描数据无线传输到计算机。
4.2.2 数据融合处理
数据采集完后，首先将原始数据导入数据处理软件，多站的扫描点云数据可通过绝对点坐标完成自动拼接，采用RISCAN PRO 软件对点云拼接去噪、导入烟囱预埋标志坐标和高程，GPS 数据和控制点数据，完成多源数据的融合处理，给出了呈现正态分布的精度统计分析。第二步提取烟囱不同层高剖面点云数据。
4.2.3 成果精度比较及分析
将三维激光扫描仪精细扫测的烟囱预埋标志的点云坐标与测量机器人测量得到的坐标差，坐标分量差值精度均优于1 cm，X分量差值最大为0.9 cm，最小0.1 cm，Y 分量差值最大为0.7 cm，最小0 cm。
5 结论
通过对电厂烟囱的三维激光扫描变形监测实验，并对变形信息的提取分析得出以下结论：利用烟囱为圆形实体的特点，计算不同横剖面圆心坐标偏移及倾斜变形信息，进而整体判断
建筑物是否产生变形的方法，精度较高，对于结构规则的建筑物，具有工程实用价值。
参考文献：
[1] 李清泉，杨必胜，史文中，等．三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M]．武汉：武汉大学出版社，2003．
[2] 尹玉廷，王解先．激光三维扫描监测圆柱体变形[J]．测绘通报，2012，(S1)．
[3] 蔡来良，等．点云平面拟合在三维激光扫描仪变形监测中的应用[J]．测绘科学，2010，35(05)．
作者简介：吴元琦（1985-）男，广西宜州人，本科学历，工程师，现主要从事测绘方面的工作。