三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)在建設(shè)工程施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

周克勤（北京建工京精大房工程建設(shè)監(jiān)理公司， 北京 100044）

0 引 言

三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 90 年代，該技術(shù)通過高速激光掃描精確測(cè)量的方法，快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息，獲取被測(cè)對(duì)象表面數(shù)據(jù)，具有高效、快速、準(zhǔn)確、無接觸等優(yōu)勢(shì)，能夠獲得物體三維數(shù)字信息，制作形式多樣的數(shù)字產(chǎn)品。

近十幾年來，該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速，在文化遺產(chǎn)保護(hù)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)工程測(cè)量、異形建筑物與構(gòu)筑物數(shù)據(jù)采集、自然災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)等領(lǐng)域均有大量應(yīng)用。隨著地面掃描設(shè)備軟硬件的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已逐步推廣到建設(shè)工程施工監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

1 三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)原理

1.1 掃描儀工作原理

三維激光掃描儀是一種集成多種高新技術(shù)的掃描測(cè)量系統(tǒng)，主要由線結(jié)構(gòu)激光光源、彩色 CCD 攝像機(jī)、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板和計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟硬件組成。其核心技術(shù)有兩個(gè)。其一是空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)。通過內(nèi)部伺服馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光束沿X、Y兩個(gè)方向快速掃描，實(shí)現(xiàn)高精度的小角度掃描間隔、大范圍掃描幅度及高幀頻成像。其二是激光無反射棱鏡長(zhǎng)距離快速測(cè)距技術(shù)。通過記錄激光飛行的時(shí)間可以得到儀器到目標(biāo)點(diǎn)的距離。

1.2 三維坐標(biāo)測(cè)量原理

掃描儀通過獲取激光束與被測(cè)物體之間的傳播時(shí)間差得到掃描儀到被測(cè)物體的距離，利用編碼器來測(cè)量鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與掃描儀水平旋轉(zhuǎn)角度，從而獲得每一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即同步得到激光發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離S、激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值θ。地面激光掃描三維測(cè)量使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖 1 所示。

1.3 掃描儀簡(jiǎn)介

根據(jù)不同的激光測(cè)距工作原理，可將目前市場(chǎng)的地面三維激光掃描儀大致分為三類，即：脈沖式掃描儀、相位式掃描儀和三角測(cè)距掃描儀。

1.3.1 脈沖式掃描儀

優(yōu)點(diǎn)：掃描距離遠(yuǎn)，可以達(dá)到數(shù)千米，受天氣因素影響較小。

缺點(diǎn)：近距離掃描效果較差。

代表性儀器如：RIEGL、I-Site、Leica 等。

1.3.2 相位式掃描儀

優(yōu)點(diǎn)：掃描速度較快、點(diǎn)密度大、可以近距離掃描。

缺點(diǎn)：掃描距離相對(duì)較近（通常是幾十米至幾百米），受天氣因素影響較大。

代表性儀器如：FARO、Z+F 等。

1.3.3 三角測(cè)距掃描儀

優(yōu)點(diǎn)：適用于微小體量目標(biāo)物、較高精度的三維數(shù)據(jù)采集。

缺點(diǎn)：掃描距離較短，受外界氣候條件影響較大。

代表性儀器如：EXAscan、Artec Spider 等。

不同類型設(shè)備有著各自不同的應(yīng)用特點(diǎn)，在條件允許情況下，選用合適的掃描設(shè)備能夠更有針對(duì)性地解決工程問題。

1.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與標(biāo)靶測(cè)量

在實(shí)際掃描測(cè)繪過程中，由于場(chǎng)地及掃描儀器設(shè)備本身視野的限制，往往需要進(jìn)行多站點(diǎn)掃描多視角測(cè)量。掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是獨(dú)立站點(diǎn)的儀器內(nèi)部坐標(biāo)系三維坐標(biāo)，為了得到掃描對(duì)象整體三維點(diǎn)云模型，必須把不同站點(diǎn)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)變換統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系中，即點(diǎn)云配準(zhǔn)。點(diǎn)云配準(zhǔn)是掃描數(shù)據(jù)獲取后主要處理步驟，也是所有后續(xù)處理基礎(chǔ)，配準(zhǔn)精度將直接影響到所有成果精度。

設(shè)獨(dú)立站點(diǎn)點(diǎn)云坐標(biāo)為 Pi，統(tǒng)一點(diǎn)云坐標(biāo)為 Pc，即轉(zhuǎn)換 Pi→Pc為：

若需要得到外部絕對(duì)坐標(biāo)系坐標(biāo) Pe，計(jì)算方法為：

其中 ΔPce為統(tǒng)一坐標(biāo)系與外部絕對(duì)坐標(biāo)系間的平移參數(shù)矢量，Rce為兩坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣，此時(shí)只考慮了坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移。將統(tǒng)一坐標(biāo)系的點(diǎn)云坐標(biāo) Pc轉(zhuǎn)換到外部絕對(duì)坐標(biāo)系坐標(biāo) Pe同樣需要至少 2 個(gè)控制點(diǎn)才能完成?？刂泣c(diǎn)使用標(biāo)靶或掃描對(duì)象中的特征點(diǎn)，控制點(diǎn)的外部絕對(duì)坐標(biāo)用全站儀或 GPS 測(cè)量的方法獲得。

上述拼接精度依賴于連接點(diǎn)選取的準(zhǔn)確程度。目前大部分儀器都可以使用專用標(biāo)靶作為連接點(diǎn)標(biāo)志，儀器自動(dòng)對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行高密度掃描，通過軟件自動(dòng)提取標(biāo)靶中心坐標(biāo)[1]。在諸如建設(shè)工程監(jiān)理測(cè)量這樣高精度測(cè)量中，僅僅單獨(dú)使用特征點(diǎn)利用匹配算法拼接而不使用標(biāo)靶是不適合的，其主要原因如下。

（1）激光掃描不同于單點(diǎn)測(cè)量，無法對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行有目的掃描而精確獲得其三維坐標(biāo)。掃描時(shí)的點(diǎn)間隔一般為幾毫米，同時(shí)由于激光束的發(fā)散使得掃描光斑在目標(biāo)表面也不是一個(gè)點(diǎn)，無法使相鄰測(cè)站掃描到同一個(gè)特征點(diǎn)。拼接時(shí)使用的并不是某個(gè)完全相同的特征點(diǎn)，所以拼接后會(huì)存在偏差。即式 1 中 與 并非同一點(diǎn)，因此由這些坐標(biāo)確定出的參數(shù)（XS、YS、ZS、φ、ω、κ）必然存在偏差，由這些參數(shù)利用式1進(jìn)行待拼接的點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生變形。

（2）使用標(biāo)靶時(shí)可以通過軟件自動(dòng)提取標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)，而在點(diǎn)云中特征點(diǎn)需要人工識(shí)別，人工識(shí)別本身也會(huì)存在偏差。

此外，掃描時(shí)標(biāo)靶放置的位置會(huì)影響拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，像衛(wèi)片和航片幾何糾正中控制點(diǎn)的分布問題一樣，標(biāo)靶宜均勻分布于整個(gè)掃描范圍或重疊范圍，互相之間盡量遠(yuǎn)離并在三維空間中均勻分布。

2 房建工程施工監(jiān)測(cè)

三維激光掃描儀具有精度高、速度快、操作便捷等特點(diǎn)，可方便應(yīng)用于房建工程項(xiàng)目監(jiān)測(cè)工作，如施工場(chǎng)地地形圖檢測(cè)、土石方填挖量復(fù)核、鋼結(jié)構(gòu)尺寸檢測(cè)及古建筑修復(fù)施工監(jiān)測(cè)等。

2.1 施工場(chǎng)地測(cè)量檢測(cè)

在工程施工準(zhǔn)備階段，使用三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)快速檢測(cè)（或提供）施工場(chǎng)地地形圖，整理計(jì)算所需填挖土石方數(shù)量。根據(jù)地形特點(diǎn)，合理設(shè)置外業(yè)掃描站點(diǎn)，完整獲取場(chǎng)地點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、配準(zhǔn)、補(bǔ)漏等，建立施工場(chǎng)地點(diǎn)云立體模型。依據(jù)施工控制網(wǎng)，將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)系場(chǎng)地三維立體模型。使用專業(yè)軟件自動(dòng)生成與施工地形圖同比例尺的等高線（或等深線）圖，用于施工地形圖比較檢測(cè)（如圖 2 所示）。

圖 2 三維立體模型與等高線圖

以場(chǎng)地三維立體模型為基礎(chǔ)，依據(jù)施工設(shè)計(jì)開挖面高程數(shù)據(jù)確定模型體積計(jì)算基準(zhǔn)面，在設(shè)計(jì)紅線范圍內(nèi)使用專業(yè)軟件準(zhǔn)確計(jì)算出填挖方體積（如圖 3 所示）。

圖 3 土石方量計(jì)算

2.2 鋼結(jié)構(gòu)部件成品檢測(cè)與安裝施工監(jiān)測(cè)

在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，為保證鋼結(jié)構(gòu)精確安裝，首先必須對(duì)各個(gè)鋼構(gòu)件成品的生產(chǎn)精度進(jìn)行檢測(cè)，即與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。利用傳統(tǒng)測(cè)繪手段進(jìn)行檢測(cè)比較困難，特別是異形構(gòu)件，而基于三維激光掃描的模型重構(gòu)技術(shù)為其提供了較好的解決方案。

圖 4 是某建設(shè)項(xiàng)目鋼構(gòu)件掃描模型與設(shè)計(jì)模型對(duì)比分析結(jié)果圖。在該項(xiàng)目中，監(jiān)理工程師使用三維激光掃描儀對(duì)特異型鋼構(gòu)件成品進(jìn)行整體掃描，通過專業(yè)軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪、標(biāo)定、拼接等操作，得到鋼結(jié)構(gòu)高精度點(diǎn)云模型，在模型上可直接對(duì)安裝構(gòu)件尺寸進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)精度可達(dá)到 3 mm。將點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入專業(yè)軟件進(jìn)行檢測(cè)分析，經(jīng)過匹配計(jì)算得到構(gòu)件點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)模型之間的誤差[2]。根據(jù)誤差大小賦予不同的色彩，通過色譜圖可以清晰看到各個(gè)位置的具體形變情況，從而確保鋼構(gòu)件成品外部尺寸精度。

圖 4 構(gòu)件的掃描模型與設(shè)計(jì)模型對(duì)比分析

圖 5 是鋼結(jié)構(gòu)安裝施工監(jiān)測(cè)情況圖。在鋼結(jié)構(gòu)建筑安裝施工監(jiān)理中，利用三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)接口安裝精度和鋼桁架安裝施工拱曲度。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)以逆向工程手段構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)三維 TIN 模型并擬合不規(guī)則曲面，采用曲面平移、交線擬合的方法獲取指定取樣點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)處理、計(jì)算，快速得到鋼結(jié)構(gòu)安裝接口尺寸以及鋼桁架安裝施工拱曲度。將施工數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較，可以檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)安裝施工是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖 5 鋼桁架安裝施工監(jiān)測(cè)

2.3 古建筑修復(fù)施工檢測(cè)

在古建筑維修施工過程中，利用三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)可以檢測(cè)古建結(jié)構(gòu)部位或整體施工精度，以及古建外墻面收分、施工平整度等。檢測(cè)結(jié)構(gòu)施工精度的方式有兩種：第一種方式是先利用掃描點(diǎn)云生成施工建筑物正射影像，然后將設(shè)計(jì)圖疊加在影像平面圖上進(jìn)行比對(duì)（如圖 6所示）。這種方式有點(diǎn)類似攝影測(cè)量，但是由于影像沒有透視畸變，因而在精度上要優(yōu)于攝影測(cè)量。第二種方式是先掃描建筑物生成點(diǎn)云模型，做成點(diǎn)云切片，然后將點(diǎn)云切片導(dǎo)入 CAD 等軟件中，將點(diǎn)云切片直接與設(shè)計(jì) CAD 圖進(jìn)行比對(duì)（如圖 7 所示）。采用這種方式需要注意控制點(diǎn)云切片的密度，理論上密度越大，精度越高，但是數(shù)據(jù)量增大將對(duì)計(jì)算機(jī)性能提出更高要求[3]。這兩種方式比較而言，第一種方法的優(yōu)勢(shì)是生成正射影像后，圖像紋理清晰，位置比對(duì)準(zhǔn)確；但是影像內(nèi)業(yè)處理耗時(shí)比較長(zhǎng)。第二種方法的優(yōu)勢(shì)則簡(jiǎn)單快捷，適合古建筑平、立、剖面等結(jié)構(gòu)實(shí)物與設(shè)計(jì)線劃圖比對(duì)；缺點(diǎn)是生成點(diǎn)云切片時(shí)必須處理好剖切點(diǎn)與看點(diǎn)之間的關(guān)系，需要具體操作人員具備一定的古建繪圖知識(shí)。

圖 6 正射影像與線劃套合圖

圖 7 點(diǎn)云切片圖

圖 8 是某古建筑外墻面平整度檢測(cè)分析圖。為了檢測(cè)分析施工平整度及墻面收分情況，首先要建立參照立面（包括墻面點(diǎn)云平均立面和墻腳垂直立面），計(jì)算墻面點(diǎn)云到參照立面的距離，分析該墻面各部位施工平整度及各層收分情況。根據(jù)距離方向、大小賦予不同顏色，可以直觀顯示墻面各部位凸凹狀況等。

圖 8 古建筑外墻面平整度檢測(cè)分析圖

3 地鐵隧道盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)

三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)相結(jié)合，能夠在隧道施工或運(yùn)維各個(gè)階段采集和記錄隧道三維幾何形態(tài)及內(nèi)壁的激光掃描正射影像；提供隧道超欠挖面積和土方量、周邊收斂變形、調(diào)坡調(diào)線、平整度等多種分析成果；提供高密度、多信息采集方式替代常規(guī)測(cè)量檢測(cè)手段等。

3.1 隧道斷面檢測(cè)

在地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工中，隧道斷面測(cè)量是隧道施工監(jiān)測(cè)、竣工驗(yàn)收、質(zhì)量控制等工作最常用的方法。采用傳統(tǒng)測(cè)繪方法采集相關(guān)數(shù)據(jù)十分費(fèi)事費(fèi)力，往往只能采集少量局部特征點(diǎn)。采用三維激光掃描技術(shù)能夠全方位、大量地對(duì)盾構(gòu)區(qū)間整體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；通過專業(yè)軟件處理，可以快速得到隧道區(qū)間任意部位的縱橫斷面和掘進(jìn)軸線三維坐標(biāo)，從而對(duì)隧道進(jìn)行整體變形分析、信息化指導(dǎo)施工等。

利用掃描儀采集隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)處理后的掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合出地鐵隧道的中軸線?？梢宰远x間距生成隧道的斷面圖，并且導(dǎo)出斷面文件[4]。橫斷面數(shù)據(jù)可清晰反映各個(gè)區(qū)域的變形量，方便分析和評(píng)估變形帶來的安全隱患。隧道的斷面數(shù)據(jù)可以生成專屬報(bào)告，既可以用數(shù)字形式表現(xiàn)，也可以用圖表反映出隧道的形變量值（如圖 9 所示）。

圖 9 隧道斷面掃描測(cè)量成果圖

在地鐵站廳竣工檢測(cè)中，在點(diǎn)云模型上沿高程方向?qū)φ緩d層結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖切，所得不同高度的剖面線直接導(dǎo)入設(shè)計(jì)圖中，與設(shè)計(jì)邊墻進(jìn)行對(duì)比，可以進(jìn)行任意幾何要素的量測(cè)，從而得到施工現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)的偏差值。

3.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)監(jiān)測(cè)

將現(xiàn)場(chǎng)掃描所提取斷面中心點(diǎn)連線與相應(yīng)設(shè)計(jì)隧道斷面中心點(diǎn)連線相比對(duì)，可以得出隧道斷面中心點(diǎn)施工數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)差值。根據(jù)偏差值大小，確定盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)能否滿足設(shè)計(jì)要求。利用三維激光掃描結(jié)合控制測(cè)量的方式對(duì)盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行整體掃描，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以有效保證工程質(zhì)量，提高施工安全系數(shù)。

表 1 偏差值統(tǒng)計(jì)表

表 1 為北京地鐵某號(hào)線一個(gè)標(biāo)段某時(shí)期中心線整理后的偏差值統(tǒng)計(jì)表。從表中可以發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)點(diǎn)位的偏差超過預(yù)警值（樁號(hào) K5669 偏移量 37.3 mm，超過規(guī)定 50 mm 的70% 超過黃色預(yù)警值；樁號(hào) K5658 高程向下偏移 36.3 mm，也超過黃色預(yù)警值），需要及時(shí)反饋給施工方，對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行預(yù)防性糾偏處理，確保其盾構(gòu)姿態(tài)正確。

3.3 隧道管壁安全檢測(cè)

利用三維激光掃描點(diǎn)云建立隧道三維立體模型，使用高分辨率相機(jī)獲取管壁表面影像，經(jīng)紋理映射后制作管壁表面正射影像平面展開圖。檢查人員能夠直觀檢查管壁滲水、裂紋等病害狀況，檢測(cè)計(jì)算管壁局部變形量等。

4 結(jié) 語

經(jīng)過近幾年的實(shí)際工程應(yīng)用和測(cè)試探索，地面三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)從外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，到具體成果應(yīng)用等方面有了一定進(jìn)展。但是，在建設(shè)工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)用的案例較少，應(yīng)用技術(shù)尚不成熟。隨著應(yīng)用工程的增多和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及儀器設(shè)備的進(jìn)一步完善，三維激光掃描技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域中將被更廣泛地推廣，發(fā)揮著越來越大的作用。