蔣毅 梁偉橋 王罡 耿培 曹文昭 楊俊毅 陶宇

摘 要：基坑變形監(jiān)測(cè)是基坑工程安全施工的重要保障。三維激光掃描技術(shù)作為近年來新興的一種測(cè)繪技術(shù)，具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。本文簡(jiǎn)要介紹了三維激光掃描技術(shù)，綜述該技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及誤差因素，詳細(xì)闡述了該技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展望，希望為三維激光掃描技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供有用的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描 基坑工程 變形監(jiān)測(cè) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：TB22? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：1003-9082（2019）06-0-03

一、概述

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模也在不斷加大，城市群的概念也已家喻戶曉。目前，城市建設(shè)中的基坑工程呈現(xiàn)出“深、大”特點(diǎn)，基坑安全風(fēng)險(xiǎn)越來越高，保證基坑施工的安全具有重要的意義。大多數(shù)基坑事故是由變形失穩(wěn)造成的，比如基坑垮塌、坑底拱起等。因此，基坑的變形監(jiān)測(cè)非常重要，是保證基坑安全施工的重要手段。

目前基坑變形監(jiān)測(cè)的主要儀器是全站儀、水準(zhǔn)儀等儀器，這些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備屬于單點(diǎn)測(cè)量，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高。三維激光掃描作為一種新興技術(shù)，能夠以格網(wǎng)掃描方式密集獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，具有高精度、高密度、非接觸式、免棱鏡測(cè)量以及測(cè)量精度均勻等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從單點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破^[1-3]。因此，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于基坑監(jiān)測(cè)，具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。本文將綜述三維激光掃描技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析影響監(jiān)測(cè)精度的因素，展望該技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景。

二、三維激光掃描簡(jiǎn)介

1.原理

三維激光掃描按照測(cè)量方式可分為脈沖式、相位差和三角測(cè)距^[4-7]。該技術(shù)基于激光測(cè)距原理，通過測(cè)量物體表面的三維坐標(biāo)、反射率、紋理等信息，能夠快速構(gòu)建出目標(biāo)物體的三維數(shù)字模型。

目前，市面上主流的三維激光掃描儀器均采用基于脈沖式的測(cè)距原理。脈沖式測(cè)距又稱為時(shí)間飛行（TOF，Time of Flight）測(cè)距法，其測(cè)量過程為：儀器內(nèi)置的激光脈沖二極管發(fā)射出高精度激光脈沖，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)棱鏡使其射向目標(biāo)物并反射回來，然后由儀器內(nèi)置的激光脈沖接收器采集被反射回來的激光脈沖信號(hào)。最后，依據(jù)激光脈沖從發(fā)射到返回的時(shí)間差來計(jì)算儀器到目標(biāo)物的距離，測(cè)距公式為：

在獲取距離的同時(shí)，三維激光掃描儀器內(nèi)置的精密時(shí)鐘控制編碼器能夠同步獲取單個(gè)激光脈沖的水平與垂直方向角度?；诰嚯x與水平、垂直方向角度，便可以計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，具體原理為：掃描儀一般采用相對(duì)坐標(biāo)系，掃描儀的激光脈沖發(fā)射中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x、y軸在相對(duì)坐標(biāo)系的水平面上，z軸為豎直方向（圖1），利用斜距s、水平方向角度α和豎直方向角度θ即可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x， y， z），計(jì)算公式為：

2.三維激光掃描流程

一個(gè)完整的三維激光掃描流程主要包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理（去澡、濾波、拼接）、三維模型構(gòu)建、模型輸出^[8]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是最為關(guān)鍵的步驟，決定了三維模型構(gòu)建的質(zhì)量。

3.應(yīng)用領(lǐng)域

三維激光掃描技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面^[9-16]：

a.工程測(cè)量領(lǐng)域：地形圖測(cè)量、路面測(cè)量、土木工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等。

b.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的三維激光掃描儀具有測(cè)程短和精度高的特點(diǎn)，可以用于整形手術(shù)和人體矯正等。

c.建筑及文物保護(hù)領(lǐng)域：通過非接觸式測(cè)量，三維激光掃描能夠建立被保護(hù)對(duì)象的三維模型并存檔，未來需要進(jìn)行修護(hù)時(shí)，這些高精度的三維模型將具有很好的參考價(jià)值。

d.逆向工程：對(duì)目標(biāo)實(shí)體或模型進(jìn)行三維測(cè)量，逆向重構(gòu)三維數(shù)字模型，再依據(jù)三維模型來指導(dǎo)實(shí)體的建造，可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、輪船、飛機(jī)核心零部件的逆向工程制造。

e.應(yīng)急服務(wù)：作為非接觸式測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描不用破壞事故現(xiàn)場(chǎng)便可快速獲取現(xiàn)場(chǎng)的三維信息，并可以當(dāng)作重要證據(jù)，為事故鑒定與分析提供客觀詳細(xì)的資料。

f.復(fù)雜工業(yè)設(shè)備測(cè)量與建模：三維激光掃描能夠掃描工業(yè)廠房?jī)?nèi)的復(fù)雜設(shè)備與管線，為廠房的內(nèi)部規(guī)劃和設(shè)備的設(shè)計(jì)制造提供直觀的參考資料。

三、三維激光掃描在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.文獻(xiàn)信息統(tǒng)計(jì)分析

通過中英文文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，將三維激光掃描應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測(cè)中的文獻(xiàn)并不多，而且?guī)缀踔辉谥形奈墨I(xiàn)中見到相關(guān)報(bào)道^[17-18]，并且這些文獻(xiàn)的質(zhì)量也較為一般。截止2018年10月，共檢索到15篇將三維激光掃描應(yīng)用于基坑監(jiān)測(cè)中的文章，其中英文1篇，中文14篇，僅有的1篇英文論文屬于會(huì)議論文，作者來自于同濟(jì)大學(xué)的中國(guó)學(xué)者。這15篇文章中只有一篇被EI收錄，其它均屬于中文核心或者非核心論文。

對(duì)這15篇文章深入挖掘發(fā)現(xiàn)：第一單位為研究院的文章最多，共有6篇，其中有4篇來自于福建省建筑科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱：福建建科院），這表明福建建科院在該領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，并且唯一的一篇EI論文也出自于該單位。只有4篇文章來自于高校，而且分別來自于四所不同的高校，這表明高校在該領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢(shì)并不明顯。剩下5篇?jiǎng)t來自于設(shè)計(jì)院、市政建設(shè)公司、檢測(cè)公司等，都屬于企業(yè)（表1）。

綜合以上信息表明：

（1）三維激光掃描在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用仍然較少，處于探索發(fā)展階段，還未進(jìn)入成熟應(yīng)用階段。目前基坑變形監(jiān)測(cè)仍然采用的是常規(guī)監(jiān)測(cè)手段。

（2）由于我國(guó)正處于大規(guī)模建設(shè)階段，因此工程實(shí)踐非常豐富，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的探索應(yīng)用走在國(guó)際前列。

（3）在該領(lǐng)域的探索中，以企業(yè)為主導(dǎo)，其中以研究院型的企業(yè)為主導(dǎo)，其次為設(shè)計(jì)院，高校的參與度較低。這可能是因?yàn)檫M(jìn)行該項(xiàng)研究需要一次性投入較高的成本購(gòu)置昂貴的三維激光掃描設(shè)備，而且還需要有實(shí)際的基坑工程作為依托工程，這兩點(diǎn)對(duì)于高校而言，難以同時(shí)具備。而企業(yè)在這兩方面則具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

2.應(yīng)用案例

目前，基坑變形監(jiān)測(cè)中常用的三維激光掃描儀是基于激光脈沖測(cè)距原理進(jìn)行測(cè)繪，其成套設(shè)備由掃描系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)和支架系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，也可以集成內(nèi)部矯正系統(tǒng)、CCD數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)等，使三維激光掃描成套設(shè)備可以滿足基坑變形監(jiān)測(cè)的多種需求。當(dāng)前市場(chǎng)推出的三維激光掃描儀器型號(hào)種類眾多，各種儀器的價(jià)格、參數(shù)差異較大。目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)用于基坑監(jiān)測(cè)的三維激光掃描儀器主要為兩家公司生產(chǎn)，一種是德國(guó)徠卡公司（Leica）生產(chǎn)的Scanstation系列的激光掃描儀器（圖2），另一種是法國(guó)法如公司（Faro）生產(chǎn)的Focus系列的激光掃描儀器（圖3）。此外，還有其品牌的儀器，包括國(guó)產(chǎn)儀器。

陳致富等^[1]利用徠卡Scanstation C10激光掃描儀對(duì)基坑施工現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)墻墻體的變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。根據(jù)基坑的形狀進(jìn)行掃描站點(diǎn)布設(shè)及掃描密度的確定，最后選擇在基坑中央采用標(biāo)靶拼接以及10 cm @100 m的中等密度掃描，從而在保證測(cè)量精度的前提下盡可能地減少外業(yè)工作量和掃描時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)具體操作方式為：利用HDS 3英寸標(biāo)靶在基坑現(xiàn)場(chǎng)布置若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后用全站儀測(cè)量這些監(jiān)控點(diǎn)的坐標(biāo)，之后采用三維激光掃描儀對(duì)這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及基坑圍護(hù)墻面進(jìn)行掃描，一次掃描后間隔一段時(shí)間進(jìn)行重復(fù)掃描，獲得兩次基坑圍護(hù)墻面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過該儀器配套的數(shù)據(jù)處理軟件cyclone以及第三方軟件Geomagic對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。將兩次數(shù)據(jù)差值對(duì)比，就能得到圍護(hù)墻體墻面的變形數(shù)據(jù)。該項(xiàng)研究結(jié)果表明：三維激光掃描技術(shù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，墻面變形大小直觀簡(jiǎn)潔，然而變形監(jiān)測(cè)誤差比較大，最高誤差可達(dá)厘米級(jí)，僅能夠反映圍護(hù)墻體的變形趨勢(shì)。作者分析認(rèn)為可能是掃描儀器自身及掃描過程中的誤差過大所致。此外，工地的振動(dòng)對(duì)三維掃描儀獲取的數(shù)據(jù)精度也有一定影響;在掃描的過程中，目標(biāo)物的遮擋問題在基坑中也比較突出。

葛紀(jì)坤等^[2]也使用徠卡Scanstation C10型掃描儀獲取基坑圍護(hù)墻體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過Geomagic軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、三維建模，并進(jìn)行圍護(hù)墻體的變形分析，得到基坑圍護(hù)墻體的3D整體變形和2D局部變形。具體應(yīng)用過程如下：

采用的成套設(shè)備為徠卡Scanstation C10三維激光掃描儀、配套的HDS 3英寸靶標(biāo)以及配套的處理軟件cyclone和第三方軟件Geomagic。與上述陳致富的掃描流程一樣，首先在基坑中的關(guān)鍵部位安裝3個(gè)徠卡HDS 3英寸公共標(biāo)靶。利用徠卡TCA2003全站儀確定測(cè)站點(diǎn)與標(biāo)靶的三維坐標(biāo)。然后三維激光掃描儀以中等掃描密度（10 cm @100 m）分三站對(duì)這些標(biāo)靶和圍護(hù)墻體進(jìn)行掃描。掃描完成后，利用cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去澡、濾波、拼接處理，拼接精度最高可達(dá)1 mm，之后三維建模得到基坑內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)的可視化三維模型圖（圖4）。最后，采用第三方軟件Geomagic對(duì)兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行差值處理，通過顏色直觀、簡(jiǎn)潔地顯示出支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量。

3.三維激光掃描在基坑監(jiān)測(cè)中的誤差分析

影響三維激光掃描精度的因素較多，針對(duì)基坑變形監(jiān)測(cè)而言，主要可分為外業(yè)誤差與內(nèi)業(yè)誤差。外業(yè)誤差有：儀器自身系統(tǒng)誤差、多路徑產(chǎn)生的誤差、目標(biāo)物反射面產(chǎn)生的誤差、外界環(huán)境引起的誤差。內(nèi)業(yè)誤差有：拼接誤差、不同期次的點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差等^[8]。例如前面提到的徠卡Scanstation C10三維激光掃描儀，其單點(diǎn)定位精度6 mm/50 m、測(cè)距精度4 mm、標(biāo)靶中心點(diǎn)掃描精度1.5 mm。在現(xiàn)場(chǎng)掃描作業(yè)中還包括測(cè)站點(diǎn)與后視點(diǎn)的定位誤差、對(duì)中誤差、掃描誤差以及拼接誤差等，其中測(cè)站點(diǎn)的定位誤差5 mm、對(duì)中誤差5 mm、拼接誤差為1 mm。綜合上述所有誤差，三維激光掃描儀器可達(dá)到的總體精度僅為18.5 mm。

四、三維激光掃描在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展望

由于三維激光掃描技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用距離成熟還有一段距離，因此本節(jié)將從以下三方面分別闡述該技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展望。

1.監(jiān)測(cè)方案

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測(cè)中可以采用多種站點(diǎn)布設(shè)方案，比如異地控制法和TSP法。異地控制法是指控制點(diǎn)選設(shè)在距離基坑3倍開挖深度以外的穩(wěn)定區(qū)域，設(shè)置3個(gè)以上的控制點(diǎn)，并且控制點(diǎn)之間不能出現(xiàn) 3點(diǎn)共線與4點(diǎn)共面現(xiàn)象。TSP法是將基坑坑外全站儀水平位移監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，然后用高精度全站儀進(jìn)行控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)傳遞：將一個(gè)控制點(diǎn)作為架站點(diǎn)，另一點(diǎn)作為后視定向點(diǎn)，建立工地現(xiàn)場(chǎng)的相對(duì)坐標(biāo)系。因此在將來的應(yīng)用研究中，應(yīng)沿著這兩種監(jiān)測(cè)方案詳細(xì)開展。此外，除了這兩種常見的架站方案之外，還存在其他的方案，也是可以開展研究的重點(diǎn)方向。

2.數(shù)據(jù)獲取

針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)方案，其數(shù)據(jù)獲取方式也有些許差異。這些差異主要集中在標(biāo)靶的安置，標(biāo)靶類型以及具體的掃描方式。同時(shí)掃描距離、掃描區(qū)域的重疊范圍、儀器安置點(diǎn)的定位精度，是定位誤差、對(duì)中誤差、掃描誤差以及拼接誤差的直接來源。因此，這些具體的操作方式將需要通過大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來測(cè)試，從而找出每一項(xiàng)誤差的主控因素，并研究出最優(yōu)化的誤差消除方法。

3.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

對(duì)于基坑監(jiān)測(cè)所產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)，統(tǒng)稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其特征是數(shù)據(jù)量非常大，處理難度較高，需要用專門的三維數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行預(yù)處理，比如徠卡Scanstation儀器配套的Cyclone和著名的第三方處理軟件Geomagic。主要的處理內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)去噪、濾波、拼接等。這些處理過程對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度有顯著影響，由于每種儀器的架構(gòu)不同，采集的數(shù)據(jù)格式也有所差異，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理方式也不相同。因此為了提高三維激光掃描在基坑變形監(jiān)測(cè)中的精度，需要著重進(jìn)行誤差分析，從而對(duì)數(shù)據(jù)處理的算法進(jìn)行改進(jìn)，以提高監(jiān)測(cè)精度。

4.小結(jié)

將兩種甚至多種三維激光掃描監(jiān)測(cè)方案下的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，比選出最適用、精度最高的監(jiān)測(cè)方案。然后將這種方案應(yīng)用于多個(gè)基坑的變形監(jiān)測(cè)，以測(cè)試其效果。如果使用效果良好，可以將具體的儀器布設(shè)方式、操作方式以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程形成規(guī)范并在全國(guó)推廣應(yīng)用。將整套監(jiān)測(cè)方案與流程形成專利，并將改進(jìn)的算法形成具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件著作權(quán)，開發(fā)出相應(yīng)的商業(yè)軟件，推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)成熟應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測(cè)中。

五、結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描是一項(xiàng)應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)，其測(cè)量精度非常高，但應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測(cè)時(shí)由于所受的影響因素較多，導(dǎo)致其監(jiān)測(cè)精度受到顯著影響。因此，要克服眾多困難，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的成熟應(yīng)用，需要進(jìn)行大量的實(shí)際基坑工程監(jiān)測(cè)，通過不斷的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而提高該技術(shù)的應(yīng)用成熟度，并推而廣之。

從當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，受限于三維激光掃描儀在基坑變形監(jiān)測(cè)中的精度不夠高，還無法全面替代傳統(tǒng)的測(cè)量手段，但是可以和傳統(tǒng)的測(cè)量方法共同作業(yè)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。三維激光掃描作為一種新興的測(cè)量技術(shù)，其精度評(píng)定與誤差理論仍在繼續(xù)完善，然而即便如此，我們依然相信三維激光掃描應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域必將是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：蔣毅，男，1987年出生，博士，研究方向?yàn)閹r土工程施工與監(jiān)測(cè)。