摘要：本文首先介绍了VZ-400三维激光扫描仪的工作原理，再从实验的角度分析建筑物裂缝宽度、深度、走向以及仪器扫描视角等各项技术参数对探测的影响，将理论模型与实验成果相比较，通过分析实验结果，修正裂缝探测的理论模型，从而得到一个较为准确的理论模型。
关键词：三维激光扫描仪；建筑物裂缝
1 研究背景
若发现建筑物有裂缝，应立即对裂缝进行观测，测定建筑物上的裂缝分布位置，裂缝的走向、长度、宽度及其变化程度。以便根据这些资料分析其产生裂缝的原因以及它对建筑物安全的影响，及时地采取有效措施加以处理。对于数量不多，易于量测的裂缝，可视标志型式不同，用小钢尺或游标卡尺等工具定期量出标志间距离求得裂缝变位值，或用方格网板定期读取“坐标差”计算裂缝变化值；对于较大面积且不便于人工量测的众多裂缝宜采用近景摄影测量方法；当需连续监测裂缝变化时，还可采用测缝计或传感器自动测记方法观测。
三维激光扫描技术作为一项新兴的测量技术，与传统测量手段相比具有自动化测量、测量速度快、穿透性强、精度高、非接触式测量、特别适合表面复杂物体及其细节的测量以及可以建立目标三维模型等特点。激光扫描在变形监测领域中有着广泛的应用，利用激光扫描仪探测建筑裂缝是变形监测领域的新课题。但大多数只对裂缝探测提出一个定性的描述，而没有对具体的探测条件做一个定量分析，因此，这一方面还有大量值得我们研究的内容。
2 激光扫描仪的测量原理及数据处理
2.1 激光扫描仪的测量原理
一套完整的三维激光扫描系统由扫描仪、控制中心、电源组成。三维激光扫描仪的测量介质是由自身发射的一组激光束，该系统包括激光测距系统和激光扫描系统，仪器以极高的速度发射激光束，按照一定顺序扫描观测区域，然后返回包括距离、天顶距、斜率和反射率等信息，通过这些信息，仪器便可测出被测物体某一点的三维坐标信息。通过对采集到的所有三维坐标信息进行排序整理，即可得到三维激光扫描的成果，即点云。在利用时，可提取点云上的坐标信息对目标区域进行形变分析，或利用点云进行目标区域的三维建模等，从而达到监测形变的目的。
三维激光扫描系统同时也集成CCD?和仪器内部控制和校正系统等。在仪器通过两个同步反射镜快速而有序地旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间(或者相位差)来计算距离,同时内置精密时钟控制编码器,同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。
三维激光扫描仪的激光发射器发射一个激光脉冲信号，信号经物体表面反射被接收器接收，根据信号脉冲传播的时间可以计算出目标点与扫描仪中心的距离S，同时，扫描仪测量每个激光脉冲的横向和纵向扫描角度观测值α、β。公式中的距离S是由仪器记录的激光脉冲在仪器和目标之间传播时间经计算获得的。设发射脉冲往返时tL，目标点P与扫描仪的距离S为：S=ctL，其中c 为光速。
2.2数据处理
激光扫描系统的原始观测数据除了两个角度值和一个距离值，还有扫描点的反射强度，用来给反射点匹配颜色。拼接不同站点的扫描数据时,需要用公共点进行变换,?以统一到同一个坐标系统中，公共点多采用球形目标或黑白标靶。
三维扫描成果点云数据经过计算机处理后,结合CAD等软件可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据[2]。点云数据以某种内部格式存储,?因此需要专门的软件来读取和处理,一款优秀的点云数据处理软件应具有三维影像点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、影像数据点三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。
3 实验方案
3.1 实验目的
利用激光扫描仪在不同条件下扫描建筑物，获取建筑裂缝信息，并将其探测结果与理论模型相比较。根据实验的结果，修正裂缝探测的理论模型，从而得到较为准确的理论模型。
3.2 实验内容
在现有条件下，寻找不同宽度、不同深度、不同走向的裂缝比较困难，因此，本实验利用两块木板模拟不同类型的裂缝。
（1）裂缝宽度对探测的影响。研究裂缝宽度对探测的影响时，以裂缝宽度作为变量，分别将仪器设置不同的距离上。将激光扫描仪扫描精度作为已知量，设置仪器正对裂缝，排除视角对裂缝探测的影响，试验出仪器在不同距离上能够探测到裂缝的最小宽度。
在裂缝附近贴一反射片以测量仪器与裂缝之间的距离。测量不同距离上能扫描到的最窄裂缝宽度。
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（2）裂缝深度对探测的影响。研究裂缝深度对探测的影响时，以裂缝深度作为变量，为简化实验，）仪器与目标之间的距离设为固定值。将激光扫描仪扫描精度作为已知量，假设仪器正对裂缝，排除视角对裂缝探测的影响，试验出仪器在仪器在该距离上能够探测到裂缝的最小深度。
实验时仪器与裂缝之间距离经测量为8.321m ,采用逐层贴纸的方法模拟裂缝的不同深度，总计粘纸27张，经多次实验一张纸厚度约为0.07mm，胶水对每张纸的影响为0.02mm。因此可以知道距裂缝8.321m处能探测到的最小裂缝深度为2.43mm。
（3）裂缝走向对探测的影响。研究裂缝走向对探测的影响时，以裂缝走向作为变量，为简化实验，仪器与目标之间的距离设为固定值。将激光扫描仪设置在与裂缝正对处，排除视角对裂缝探测的影响。将裂缝走向分为横向、纵向、斜向三种，利用实验检测出裂缝走向对裂缝探测的影响。从实验结果得出，裂缝走向对裂缝探测的影响不大。
扫描视角对探测的影响。研究扫描视角对裂缝探测的影响时，以仪器对裂缝的视角作为变量，为简化实验，仪器与目标之间的距离设为固定值。将激光扫描仪分别以对裂缝不同的视角布设，根据试验检测出该距离上仪器对裂缝探测的最大扫描视角。（试验测量裂缝宽3.5mm，距离仪器10.555m）选取木板4个角上的任意3点作为标志点计算扫描仪对裂缝的视角。由此得出各视角数据如下：
表2 各视角数据
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由实验结果可以看出当视角为θ5时目标裂缝完全消失，因此可以得出结论，在10m左右的距离上，仪器对3.5mm宽的裂缝的最大探测视角大约为30°。
4 结论
本文通过实验得出VZ-400激光扫描仪在不同距离上能探测到的裂缝最窄宽度、最小深度以及裂缝走向和扫描视角对裂缝探测的影响。不足之处：实验最小裂缝深度和最大探测视角时，为了减少变量距离只设置了一个固定值。实际生产中，仪器与裂缝距离会有许多值，距离的变化也会对探测的阈值产生影响，这需要进一步研究这一方面。
参考文献：
［1］ 丁建闯，闫方方等 地面三维扫描仪技术在古建筑变形监测中的应用研究［J］.矿山测量，2017，10（5）
［2］ 袁夏 三维激光扫描点云数据处理及应用技术 ［D］，南京；南京理工大学，2006
［3］ 尹婷 三维激光扫描数据处理技术的研究 ［D］，武汉；武汉理工大学，2010
［4］ 张启福，孙现中等 基于简易六段法的RIEGL VZ-400激光扫描仪精度测试方法研究［A］，郑州；解封军信息工程大学，2010