三維激光掃描的龍柱傾斜觀測方法
摘 要
針對城市高聳建築物傾斜觀測作業時間長、信息量少的問題，將三維激光掃描技術應用到城市高聳建築物變形監測領域，探討對無觀測標誌、不可或不便攀登的城市高聳建築物進行傾斜觀測的施測方法。以龍柱為例，制定了可行的測量方案，並採用高斯曲面擬合演算法對其表面進行擬合，精確計算出龍柱的傾斜量，且與全站儀傾斜觀測結果進行對比。結果表明，該方法可以快速、全面的獲取觀測對象的整體信息，且能夠滿足高聳建築物傾斜觀測的精度要求。
引用格式：王健，孫文瀟，梁周雁，等．三維激光掃描的龍柱傾斜觀測方法［Ｊ］．測繪科學，２０１７，４２ （９）：１１６-１２０．
正 文
隨著城市化的進程和社會經濟的發展， 城市高聳建築物拔地而起，其穩定性問題不容忽視。建築物傾斜觀測作為建築物變形監測的重要內容，已經變得日趨重要。龍柱作為中華民族的傳統建築物， 有著悠久的歷史。地基的不均勻沉降、大風等，引起１０ｍ 高龍柱不同程度的傾斜，給人民的生命財產安全造成極大的威脅。
目前，對於高聳建築物的傾斜觀測方法有很多。如西安大雁塔的傾斜觀測主要使用精密的天文大地測量儀器，蘭州白塔的傾斜觀測主要採用兩方向前方交會法，圓筒形高聳建築物的傾斜觀測主要採用前方交會和水平角結合方法，高層建築物的傾斜觀測主要採用三方交會法。上述建築物傾斜觀測方法都是基於點的測量， 不能反映目標建築物整體變形情況， 且受地理條件、天氣狀況、周圍環境的影響較大。近年來，三維激光掃描技術飛速發展，已經成為空間數據獲取的重要技術手段。相對於高聳建築物傳統的傾斜觀測方法，三維激光掃描技術有著較大的技術優勢。三維激光掃描技術作為一種新興的形測量技術，應用於高聳建築物的傾斜觀測實例較少。本文利用三維激光掃描技術對龍柱進行傾斜觀測，探討該技術應用於城市高聳建築物傾斜觀測的方法及可行性。
山東科技大學泰山廣場東西兩側矗立六尊龍柱，命名為「時乘六龍」， 取自《周易·乾卦·彖傳》。中國自古以來便有「崇天法地」 的精神，泰山廣場的六尊龍柱，恰如《周易》乾卦之爻。該龍柱高達１０ ｍ，是採用多種工藝雕刻而成的龍形浮雕柱體， 且龍頭、龍尾較為突出。建於２００６年８ 月，迄今已１１ 年，為確保其安全狀況，需要定期對其進行傾斜觀測， 以便了解柱體的穩定情況。若採用傳統的全站儀設站方式難以布設監測點，很難確保每次都能觀測相同位置， 給建築物傳統的傾斜觀測方法帶來了挑戰。鑒於上述對泰山廣場「時乘六龍」 的分析， 本文將三維激光掃描技術應用到建築物變形監測領域。首先將採集得到的點雲數據進行預處理， 即對原始數據進行配准、去噪、取樣， 然後對柱體表面進行擬合， 最後經過分析、計算得到成果數據，解決了常規測量無法實現或很難實現的測量問題。
採用常規方法對高聳建築物進行觀測時間較長，且受地理環境、天氣狀況影響較大； 而三維激光掃描技術受場地影響較小， 且測量速度快、精度高。利用三維激光掃描技術對高聳建築物進行傾斜觀測， 可以快速獲取柱體完整、密集的點雲數據，便於準確的反映建築物的整體變形情況。
本研究通過利用三維激光掃描儀對龍柱進行定期觀測，制訂了可行的技術方案， 根據龍柱的具體情況完成了柱體點雲數據的預處理， 提出採用高斯曲面擬合演算法對柱體進行表面擬合， 進而精確計算龍柱的傾斜量和傾斜度， 解決了傳統測量方法難以解決的問題。
2017年（第42卷）第9期
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