[发明专利]一种基于三维激光点云几何特征的建筑物变形监测方法

说明书

本发明提供一种基于三维激光点云几何特征的建筑物变形监测方法，包括三维激光数据获取、多站点云配准、单体建筑物提取、建筑物线面拟合、线面几何参数提取、建筑物变形分析等步骤。本发明提出的基于特征的建筑物变形监测方法能够克服现有方法对三维激光扫描仪精度要求苛刻，易引入多站点云配准误差和需要高精度控制点布设的缺点，充分利用三维激光扫描获取的点云分布信息，能够有效利用大量点云拟合带来的高精度和高稳定性优势，三维点云中提取的建筑物几何特征及其变化信息也能够更加直观地反映建筑物的形变特征，及时有效地为建筑物的施工和管理提供安全监测数据。

技术领域

本发明涉及三维激光扫描建筑物监测领域，具体是一种基于三维激光点云几何特征的建筑物变形监测方法。

背景技术

建筑物的变形监测是评估建筑物安全性态，及时发现建筑物安全问题，保障人民生命和财产安全的必要任务。尤其是在大型地下工程施工时，由于地质条件的改变，会造成地表沉降，进而导致地表建筑物的不均匀形变。传统的建筑物监测方法是利用全站仪和水准仪对建筑物某一特征位置(如边缘点、角点)进行多期水平位移和沉降监测，进而得到建筑物的形变信息，分析形变规律。这种监测方法精度高，速度快，但却存在以下几方面问题：

1)特定点的位移和沉降有时无法反映建筑物的整体形变状态；

2)无法获取建筑物平面平整度、挠度等面状信息；

3)对于不便于架设棱镜和水准尺的建筑物上部施测难度大、精度低；

4)若增加测点的采样密度，则会大大降低监测效率。

随着三维激光扫描技术的发展，地基三维激光扫描仪在工程安全监测和三维建模领域的应用越来越广泛。三维激光扫描仪能够快速地获取周边地物大量三维点云，能够以毫米级的采样密度对目标建筑物进行观测，克服了传统监测方法监测点密度不足的问题。近年来，三维激光扫描仪的测量精度不断提高，在近距离观测时，其测量精度已能够达到一般全站仪的水平，因此能够用于建筑物的变形监测。在对特定建筑物进行长期变形监测时，可将三维激光扫描仪架设在固定观测墩上，并在另两个稳定控制点上架设标靶，利用后方交会获取建筑物在统一坐标系下的坐标，并将多期点云进行对比，以获取建筑物的变形量及空间分布。然而，对于大范围的建筑群落，三维激光扫描技术在建筑物变形监测中的应用尚存在以下难点：

1)无法设立固定观测墩，临时引入的控制点精度不足且点位难以保存，不利于多期重复观测；

2)由于多期数据采集时扫描站不在同一位置，因此难以将多期点云逐点一一对应，以判断其位移量；

3)需要在建筑物上布设永久标靶，标靶布设和管理难度较大。

一些研究采用了点云三维建模，两期模型对比的方式监测建筑物的变形量，但该类方法仅能取得变形量的大小，在无特征点时无法获得变形发生的准确方向。例如，新疆第一测绘院利用三维激光扫描技术对新疆大剧院进行了变形监测，在扫描时将三维激光扫描仪架设在固定观测墩上，为了避免多站点云配准的精度损失，因此只采用单站扫描数据对比分析了新疆大剧院的变形情况，其变形分析方法为构建三维表面模型后对比多期模型的平均位移变化量。这种方法在一定程度上反映了建筑物的整体形变程度，但无法取得形变的具体方位，也未取得建筑物各结构间几何关系的变化量。此外，点云或模型直接比对的方法受三维激光扫描仪测量精度和控制点精度的影响较大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于三维激光点云几何特征的建筑物变形监测方法，该方法能够有效利用大量点云拟合带来的高精度和高稳定性优势，更加直观地反映建筑物的形变特征，及时有效地为建筑物的施工和管理提供安全监测数据。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案为：

一种基于三维激光点云几何特征的建筑物变形监测方法，包括下述步骤：