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【内容摘要】地面三维激光测量系统是应用广泛的一种测量技术，本文提出一种研究建筑物变形的方法即用三维激光扫描仪对建筑物进行三维激光扫描获得建筑物的三维点云模型，然后通过前后两次建筑物统一坐标系统的三维点云数据的特征点比对分析，对建筑物进行平面位移监测、沉降监测、倾斜分析、整体形变监测。
【关键词】三维激光；地表形变；三维建模；特征点
三维激光扫描技术相比于传统测绘技术具有数据获取速度快、精度高、非接触测量等优点，能够对复杂的地物进行三维的测量。后期处理根据数据的完整性和庞大的数据量可以制作出高品质的三维测绘产品。
三维激光扫描是利用激光进行高速、实时、自动获取给定区域目标表面三维坐标的测量技术，是一种大面积高密度的非接触式主动测量技术，该技术突破了传统的单点测量，通过扫描可以获得高精度的海量点云数据，其扫描速度可达数万点每秒，且数据采集不受天气条件影响。利用三维激光扫描的多期点云数据进行比较研究，分析得出特征点的在XYZ方向上的偏移量，进而提取建筑物的形变信息。
1.三维激光扫描技术在古建筑变形监测方面的优势
传统测量方法对纹理复杂的文物获取数据十分困难，而且易破坏文物，三维激光扫描技术则有以下特点：
非接触性：游客参观的主要对象是古建筑等，这些景点现象是受国家级保护并且具有文物研究价值，另一方面它们的力学性质较脆，十分容易损坏，鉴于测量对象的特殊性不允许架设仪器设备进行测量，激光的非接触特性可以有效地防止测量过程中对景点文物的损坏。
快速性：三维激光扫描仪一站测量用时约5至10分钟，测量速度快，效率高，景区一般人流量大，采用三维激光扫描仪测量可以很好地解决该问题，不影响游客参观及景区的正常运营。
测量信息的丰富性：在测量一些不规则物体时，传统测量完全发挥不出作用。而三维激光扫描仪在对不规则物体的测量建模过程中，在点云的大数据量的支持下，模型无论是精细程度还是真实还原性上都得到了大大的提高。不仅仅可以真实的反映古建筑表面的信息还可以快速的进行三维建模。
古建筑测量的特殊性，决定了其不适用传统的测量方式，而三维激光扫描测量这种现代测量方式则可以发挥其独特的优势，满足古建筑测量的特殊要求。
2.应用案例分析
1)技术路线
采用FAROfocus3D三维激光扫描仪对某古建筑进行扫描，以三维点云数据为基础，利用Geomagicstudio坐标系编辑工具对扫描点云数据进行坐标系统一化，再利用单点坐标获取对点云特征部位中心点坐标提取，分析两期数据同一特征点在XYZ方向上的偏移量，从而达到建筑物形变监测。
2)数据采集
三维激光扫描仪在扫描之前和传统测绘项目的展开是一样的，在作业之前先要对扫描的地点进行踏勘，并且收集周围的天气因素、地理环境、人为影响作为扫描前的分析数据，做好数据采集计划防止采集数据过程中发生意外。为了对扫描图像进行绝对定向使站点间的拼合精度较高，需在目标附近设置多个靶球或靶标。标靶球摆放时，必须保证相邻2个架站点能同时看到4个及4个以上的靶球，以保证站点拼接
3)数据预处理
点云数据的拼接是FAROScene的一个重要功能。在测量大型地物时往往一站数据是不够的，所以要对多站数据进行拼接处理才能得到最终的数据成果。软件提供了很多方式进行点云拼接，第一种情况也是最常用的一种拼接方式就是有摆放靶球的拼接：可以人工拼接，也可以自动拼接。
利用FAROfocus3D三维激光扫描仪数据处理软件FAROScene将两期点云数据进行删噪处理，去除无关点云，保留建筑物点云数据，对各站点云数据进行拼接，形成两期“鳌园”三维点云模型。
4)数据配准
在得到待测物体各个视点的扫描数据之后，要得到待测物体的整体点云模型还要对待测物体各个视点的点云数据进行数据配准，三维激光扫描技术关键的技术之一是数据配准，数据配准有很多种方法，其中精度最好，最方便的一种方法就是基于控制点的配准方法。本实验采用在geomagicstudio软件中利用坐标系编辑工具使两期点云数据具有同样的坐标系。具体做法为选取其中一个控制点为原点，以两控制点的连线为x轴，选取毫米为单位，建立左手坐标系。
5)形变信息提取
geomagicstudio软件在建模方面十分出色，而且自带量测系统，在geomagicstudio软件中利用距离采集工具对建筑物特征点之间的距离进行提取，具体精确到毫米级，同时利用激光测距仪对各个特征点间的距离进行量测，验证三维激光扫描仪的扫描精度，
通过对两期建模特征部位距离的量测得出每段距离的差值量，从而提取形变信息。
表1两期点云特征点距离差值表
本次实验以嘉庚公园嘉庚墓“鳌园”为研究对象，以FAROfocus3D扫描仪扫描的两期不同时期点云数据为研究依据，以特征部位距离提取差值比较的方法进行实验结果分析，实验得出：在两期点云特征点距离差值表中发现，变形量最大距离为8mm，中误差为6mm，大于三维激光扫描仪误差3mm。说明嘉庚墓“鳌园”有发生变形但变形很小。
6)建立模型
在对古建筑等不规则物体的建模分为3个步骤。首先就是点阶段，这一步是很重要的，它会影响到后期建模的准确性。通过对点云的去噪和拼接来对点云进行预处理。因为三维激光扫描是除了脚架盲区其他地方都会扫描到，且一些人员的走动或者一些高反射的物体都会影响点云质量。因此在处理点云数据时要对这些噪点进行删除。
第二步就是通过封装选项生成三角面。软件会自动根据点云分布位置进行生成模型，最后对封装之后的对象进行处理。因为在封装时软件是根据算法来对点进行连线形成三角面，所以在一些地方会出现烂面或重叠面的现象。可以使用软件的一些功能处理这些问题如：三角形删除、光滑曲面的多种方法、填充孔和边修补技术。接下来在面阶段处理就是对模型进行进一步的优化。
在对模型的处理要尽量不改变模型表面的纹理走向，处理一些复杂的漏洞时要沿着该物体实际的纹路去填补。在对模型的细节处理后可以看出建筑物的形态和物理特征。这是传统的测量无法实现的。
3.结论与展望
本次主要研究地面三维激光扫描技术用于嘉庚墓等文物保护建筑的形变监测及三维建模，并通过测量实验验证三维激光扫描精度，提取并分析嘉庚墓的形变数据，并建立了嘉庚墓高精度三维模型。这项研究对嘉庚墓等文物建筑的保护起到了十分积极的作用。后期将进行更长时间的监测并完善点云处理提高测量精度。
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作者简介：牛阳（1995.10-），男，，四川南充，硕士研究生在读，研究方向：车载三维激光移动目标检测。