許新海

(蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 233000)

三維激光掃描技術(shù)在深基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

許新海*

(蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 233000)

隨著城市的發(fā)展，深基坑工程非常普遍，在深基坑的開挖過程中，基坑監(jiān)測(cè)是基坑安全的重要保障。文章介紹了三維激光掃描技術(shù)的基本原理以及精度影響分析，討論了這項(xiàng)新技術(shù)相比于傳統(tǒng)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。通過工程實(shí)例，說明了具體的掃描工作流程，對(duì)數(shù)據(jù)分析，得出監(jiān)測(cè)結(jié)果，并與全站儀數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證。最后提出了目前仍存在的一些問題以及對(duì)未來的展望。

基坑監(jiān)測(cè)；三維激光掃描；三維模型

1 引 言

傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)手段難以表達(dá)復(fù)雜的空間三維數(shù)據(jù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為空間數(shù)據(jù)獲取提供了新的方法與手段。

三維激光掃描技術(shù)作為近年來新興的一門測(cè)繪技術(shù)，該技術(shù)科可以快速高效地獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無須和被測(cè)物體接觸，并重建目標(biāo)的三維模型。已在古建筑保護(hù)、考古測(cè)量、工業(yè)制造、結(jié)構(gòu)測(cè)量、河道測(cè)繪、橋梁、建筑物地基測(cè)繪等方面得到廣泛應(yīng)用。

2 三維激光掃描的基本原理及精度影響分析

2.1 三維激光掃描的基本原理

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)從而可以進(jìn)行測(cè)距，針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)。

XP=Scosβcosα

YP=Scosβsinα

ZP=Ssinβ

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理

如果測(cè)站的空間坐標(biāo)是已知的，那么則可以求得每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 精度影響分析

精度影響目前主要在以下幾個(gè)方面：

(1)激光測(cè)距的影響。

激光測(cè)距信號(hào)在處理的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)帶來一定的誤差，特別是光學(xué)電子電路中激光脈沖回波信號(hào)處理時(shí)引起誤差。以Z+F掃描儀為例，在近距離(10 m)處，可以達(dá)到 0.4 mm的測(cè)量精度，50 m處下降到 1.8 mm。

(2)掃描角的影響。

掃描角的影響包括激光束水平掃描角度和豎直掃描角度測(cè)量精度。掃描角度引起的誤差是掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的微小震動(dòng)、掃描電機(jī)的非均勻轉(zhuǎn)動(dòng)控制等的綜合影響。盡管目前掃描儀的角度測(cè)量達(dá)到亞秒級(jí)別，但由于制造的誤差，角度測(cè)量仍然不可忽視。

(3)目標(biāo)物體反射特性的影響

激光測(cè)距依賴于目標(biāo)物體的反射激光能量，在任何情況，反射強(qiáng)度都受物體表面反射特性的影響。由于物體表面反射特性的差異，將導(dǎo)致激光測(cè)距產(chǎn)生一定的誤差。反射特性受物體的材質(zhì)、粗糙程度，表面色彩等影響。

3 三維激光掃描技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介：

某基坑工程位于城市商業(yè)區(qū)附近，基坑深度約 11 m，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)?；游鱾?cè)現(xiàn)狀為辦公樓，其余為現(xiàn)狀道路。選取基坑西北角邊坡進(jìn)行掃描，獲取激光掃描數(shù)據(jù)，分析基坑的變形情況，同時(shí)與同期的全站儀監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析?；泳植康谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示：

圖2 基坑西北角監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 監(jiān)測(cè)工作分以下幾個(gè)步驟：

(1)基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)平面圖及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，確定測(cè)站、標(biāo)靶及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布。測(cè)站采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，減少對(duì)中誤差。監(jiān)測(cè)點(diǎn)利用強(qiáng)制對(duì)中裝置，可以直接放入棱鏡，全站儀進(jìn)行測(cè)量，也可以通過轉(zhuǎn)接頭安上標(biāo)靶使用，通過激光掃描儀進(jìn)行掃描，做到一點(diǎn)兩用。

標(biāo)靶測(cè)量精度是三維點(diǎn)云精度的前提，我們利用Leica TCA2003全站儀(測(cè)角精度±0.5″，測(cè)距精度 1 mm+1 ppm)，精確測(cè)定標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，用于獲取三維點(diǎn)云的絕對(duì)坐標(biāo)。

(2)設(shè)站掃描

采用德國(guó)的Z+F IMAGER 5010C掃描儀，每?jī)烧局g至少有3個(gè)公共標(biāo)靶可見，激光掃描時(shí)同步掃描標(biāo)靶，用于數(shù)據(jù)后處理時(shí)兩站之間的拼接。采用Super High分辨度對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行局部掃描，用Middle分辨率進(jìn)行基坑側(cè)壁掃描，單站掃描時(shí)間約 10 min。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

Z+F掃描獲得的數(shù)據(jù)是帶有三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Z+F LaserControl軟件，利用軟件工具對(duì)點(diǎn)云過濾，刪除多余數(shù)據(jù)，降低點(diǎn)云密度，提高后續(xù)處理的效率。點(diǎn)云過濾后進(jìn)行點(diǎn)云拼接，利用兩個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行拼接，第三個(gè)標(biāo)靶作為多余觀測(cè)，進(jìn)行平差計(jì)算，提高拼接精度。

拼接精度報(bào)告如圖3所示：

圖3 拼接精度報(bào)告

由拼接精度報(bào)告可以看出三個(gè)標(biāo)靶球在X、Y、Z三個(gè)方向上偏差以及總偏差。

平均偏差：0.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差：0.1 mm，最大偏差：0.4 mm，完全滿足規(guī)范要求。

點(diǎn)云拼接完畢以后，對(duì)標(biāo)靶的中心點(diǎn)進(jìn)行擬合，輸入全站儀測(cè)得的精確坐標(biāo)，通過標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸化到工程坐標(biāo)系中，獲取絕對(duì)坐標(biāo)的基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(4)三維建模

將經(jīng)過處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入三維建模軟件，建立支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維模型，通過軟件進(jìn)一步對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析。

3.3 監(jiān)測(cè)成果分析

(1)三維激光掃描儀掃描成果

歷經(jīng)3個(gè)月前后7次觀測(cè)，初步得到基坑西北角支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體變形情況。選取8月25日，9月11日點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析：(紅色與綠色區(qū)分表示)，如圖5所示。

利用Geomagic軟件將兩期數(shù)據(jù)對(duì)比分析，通過不同顏色顯示基坑邊坡的整體位移情況，也可獲取單點(diǎn)的位移，如圖6所示。

圖5 兩期基坑混合點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖6 基坑邊坡表面位移圖

可以看出基坑位移量均在2 mm～3 mm左右，與同期的測(cè)斜儀數(shù)據(jù)基本吻合，分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。

(2)三維激光掃描標(biāo)靶坐標(biāo)與全站儀棱鏡坐標(biāo)對(duì)比

選用安置在冠梁上CW1、CW3、CW6監(jiān)測(cè)點(diǎn)9月11日觀測(cè)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，通過2種方法實(shí)測(cè)坐標(biāo)較差均在 3 mm內(nèi)，可以得出三維激光掃描坐標(biāo)精度較高，可靠性好。

全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)與激光掃描坐標(biāo)對(duì)比表 表1

4 結(jié) 論

通過以上分析，可以看出三維激光掃描技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)量大，變形量直觀簡(jiǎn)潔，非接觸測(cè)量的方式等有很大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于中小型基坑危險(xiǎn)區(qū)域完全可以代替全站儀進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)，保證監(jiān)測(cè)人員的安全。對(duì)于大型基坑由于涉及多站拼接，精度很難保證。同時(shí)隨著掃描距離的增加，精度也顯著下降，難以達(dá)到監(jiān)測(cè)精度，可以作為全站儀測(cè)量的一種補(bǔ)充與驗(yàn)證。另一方面，在掃描的過程中，施工工地遮擋的問題也比較突出，應(yīng)該與傳統(tǒng)測(cè)量方法共同作業(yè)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

目前來看，三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用潛力還有待進(jìn)一步開發(fā)利用，隨著技術(shù)的發(fā)展，儀器價(jià)格的降低以及精度的提高，這一技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

[1] 徐進(jìn)軍，王海城，羅喻真等. 基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理[J]. 巖土力學(xué)，2010，31(7)：2188～2191.

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Applicationof3DLaserScanningTechnologyinDeepFoundationPitMonitoring

Xu Xinhai
(Bengbu Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Bengbu 233000，China)

With the development of the city，the deep foundation pit engineering is very common. In the process of deep foundation pit excavation，pit monitoring is an important guarantee for the safety of foundation pit. This paper introduces the basic principle of 3D laser scanning technology and the influence analysis of precision，and discusses the advantages of this new technology compared with the traditional measurement. Through the engineering example，the specific scanning workflow is explained，the data analysis is carried out，the monitoring result is obtained，and the data is verified with other data. Finally，some problems and prospects for the future are put forward.

the foundation pit monitoring；three-dimensional laser scanner；three-dimensional model

1672-8262(2017)06-87-03

P234

B

2017—10—30

許新海(1985—)，男，工程師，主要從事城市測(cè)量技術(shù)工作。