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激光扫描技术在工厂构筑物精密变形测量中的应用潘有发张功海蒋园园刘斌朱秀峰

发表时间：2021/7/19 来源：《基层建设》2021年第12期作者：潘有发张功海蒋园园刘斌朱秀峰

[导读] 本文对激光扫描技术在工厂构筑物变形监测中的应用进行了探讨。从变形机理、监测网的布设、数据采集、模型创建、数据计算等方面进行了分析，研究了激光扫描技术在工厂构筑物变形监测中的具体操作方法及后续数据处理

        金川镍钴研究设计院甘肃金昌 737100
        摘要：本文对激光扫描技术在工厂构筑物变形监测中的应用进行了探讨。从变形机理、监测网的布设、数据采集、模型创建、数据计算等方面进行了分析，研究了激光扫描技术在工厂构筑物变形监测中的具体操作方法及后续数据处理，为激光扫描技术在工厂构筑物变形监测的实际应用探明了方法。对建设工程建构筑物的安全运营管理起到了积极的作用。
        关键词：激光扫描技术；变形监测；构筑物

        1.监测背景
        在工程建设、使用和运营过程中，由于基础的地质构造、土壤的理化性质、地下水位的差异以及建筑物本身的荷重和外界的动荷载(如风力、震动等)作用等因素的影响，构筑物可能发生不均匀沉降，导致构筑物产生倾斜或裂缝，影响其正常使用，甚至危害构筑物的安全。因此，构筑物的稳定性与可靠性成为人们关注的焦点。只有定期对构筑物进行监测、预防，才能确保构筑物的安全使用。
        随着计算机技术、通讯技术、空间技术的快速发展，现代测绘逐步向数字化、自动化、智能化方向发展，在变形监测领域得到了很好的应用。传统全站仪监测网、GNSS监测网因其监测点数量有限，不能全面反映构筑物的变形情况，加之其自动化、智能化的程度也不高。
        近年来，三维激光扫描技术已成功应用于工厂构筑物变形监测领域，其观测数据为高分辨率点云数据，经配准、抽稀、去噪、封装后可直接生成构筑物表面三维模型，能逼真、详尽地反映构筑物的变形情况，在行业内得到了普遍认可。
        2.案例简介
        金川集团股份有限公司铜业有限公司硫酸分厂露天硫酸储罐位于公司本部选冶化厂区，罐区八个硫酸罐呈东西走向一字型分布，自东向西依次为1-8号硫酸罐。罐半径8.5米，高度18米。在地基基础和上部结构的共同总用下，罐体发生了不均匀沉降，导致罐体发生了倾斜。

        图1：罐体现场情况图
        罐区为危化品作业区域，用Z+F IMAGER 5010三维激光扫描仪对罐体进行全方位非接触式测量，得到了高分辨率的点云数据，分别创建了各个罐体的三维模型，并分析计算了罐体的垂直度。
        3.监测方案
        （1）在罐区南面水泥道路上布设A、B两个工作基点，使得B点位于A点的正西方向，采用钢筋“十字”型测量标志。

        图2：工作基点分布图
        （2）罐区东西长300米，南北宽100米，将地球表面当作平面看待，以A点为坐标原点，AB连线为X轴，垂直AB连线为Y轴，建立监测专用独立平面直角坐标系。
        （3）用全站仪在A（0，0，1500）点上设站，后视B点，设置角度270°定向后，测得B点三维坐标为（0，-14.783，1500.066）。
        （4）将三维激光扫描仪安置于A点，在B点上安置一标靶球作为后视，在扫描路线前进方向合适位置摆放3个标靶球，设置好扫描参数后，开始逐站扫描。
        （5）通过标靶球传递的方式进行扫描，直至将所有罐区扫描完成，共扫描23站。
        4. 垂直度计算
        （1）从扫描仪上下载点云数据，用随机软件经去噪、配准、抽稀、封装处理后，创建每个硫酸罐的三维模型，保存为*.wrp格式。

        图3：硫酸罐三维模型图
        （2）从Geomagic Qualify软件中打开罐体三维模型，在每个罐体顶部、底部分别获取特征点不少于4个，生成坐标数据文件。
        （3）打开南方CASS10.0软件，用坐标数据文件中的其中三个点拟合圆，多余点用于检核，每个硫酸罐分别拟合罐体顶、底部圆，并计算罐体顶、底部圆心坐标。
        表1：罐体圆心坐标                     单位：米

硫酸罐编号	X	Y	H	备注
1	171.342	19.087	1519.121	顶部
1	171.325	19.087	1503.338	底部
2	149.354	18.991	1519.039	顶部
2	149.334	19.018	1503.569	底部
3	127.375	18.968	1519.035	顶部
3	127.396	19.003	1503.437	底部
4	105.362	19.074	1519.085	顶部
4	105.347	19.080	1503.344	底部
5	83.339	18.993	1518.849	顶部
5	83.330	18.989	1503.480	底部
6	61.367	18.975	1518.933	顶部
6	61.354	18.995	1503.508	底部
7	39.331	18.935	1518.900	顶部
7	39.314	18.931	1503.339	底部
8	17.37	18.901	1518.988	顶部
8	17.368	18.874	1503.406	底部

        （4）根据圆心坐标分别计算每个硫酸罐顶部圆心相对于底部圆心的水平距离、坐标方位角及罐体相对于铅垂线的倾斜变形。
        表2：罐体倾斜变形表
        硫酸罐

硫酸罐编号	倾斜量（mm）	倾斜方位（°′″）	倾斜
1	17	0°00′00″	0.0011
2	34	306°31′44″	0.0022
3	41	239°02′10″	0.0026
4	16	338°11′55″	0.0010
5	10	23°57′45″	0.0007
6	24	303°01′26″	0.0016
7	17	13°14′26″	0.0011
8	28	71°33′54″	0.0018