淺析三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應用

李平生

摘 要：在建筑施工中，基坑雖然是一種臨時性工程，但是對確保現(xiàn)場作業(yè)的順利開展以及提升建筑工程的整體質(zhì)量都發(fā)揮了重要作用?；颖旧砭哂须[蔽性的特點，加上施工區(qū)域的地質(zhì)條件復雜，基坑容易出現(xiàn)變形甚至是坍塌等問題。建筑單位通過動態(tài)的監(jiān)控基坑變形情況，可以及時采取應對措施，保證基坑的穩(wěn)定性。三維激光掃描技術(shù)具有高精度、高速度、高分辨率的特點，在基坑變形監(jiān)測中具有突出應用優(yōu)勢。熟練掌握三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應用技巧，也成為提升建筑施工質(zhì)量的一種有效措施。

關(guān)鍵詞：基坑工程；變形監(jiān)測；三維激光掃描；應用

中圖分類號：TU196.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0112-02

1 三維激光掃描的基本原理及精度影響分析

1.1 三維激光掃描的基本原理

通過高速掃描、高頻社光束技術(shù)融合的技術(shù)形式，在其運用的工程中，可以獲得反射信號并呈現(xiàn)出成像的技術(shù)特點。反射信號通過機內(nèi)處理技術(shù)的運用，可以將帶有三維坐標的海量點數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，通常情況下將這種數(shù)據(jù)稱之為“點云”，在點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后，可以通過三維建模軟件的處理，構(gòu)建明確性的三維模型，并對后期的數(shù)據(jù)進行有效分析。在三維技術(shù)運用的過程中，為了有效培養(yǎng)基坑監(jiān)測工作的系統(tǒng)性、全面性，應該實現(xiàn)現(xiàn)代化的技術(shù)運用水平，并嘗試將三維激光有效的融入在基坑檢測中，從而為三維技術(shù)的有效運用提供依據(jù)。

1.2 精度影響分析

在利用三維激光掃描技術(shù)進行基坑變形監(jiān)測的時候，點云的精度比較容易受到掃描距離的影響。如果掃描設備與被測物體之間的距離過遠，則會導致掃描數(shù)據(jù)的精確度下降，一些細微的變形很難檢測到。因此，技術(shù)人員應當結(jié)合現(xiàn)場勘查，科學選擇掃描儀器的擺放位置，一般來說掃描儀器與被測物體之間的距離要控制在40m-60m之間，可以確保最終獲取的數(shù)據(jù)符合使用需要。同時，為保證后視點和測站點的坐標精度，可以選擇水準儀和全站儀設備進行后視點和測站點的測量工作，通過多次測量將數(shù)據(jù)的平均值作為后視點和測站點的坐標，從而有效保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。此外，在進行標靶掃描的時候，盡量選擇小間距、高精度的點云掃描模式進行精細掃描，使基坑變形監(jiān)測更具有精確性和完整性。

2 三維激光掃描在基坑監(jiān)測中的技術(shù)運用

2.1 數(shù)據(jù)獲取階段

在數(shù)據(jù)獲取的過程中，其主要的工作內(nèi)容就是在項目運行的過程中實現(xiàn)設站掃描技術(shù)，整個環(huán)節(jié)中應該對站點坐標進行定位及架設分析。為了在技術(shù)操作的過程中充分滿足部分精度測量的準確性，需要在掃描區(qū)域布設“掃描控制點”，這一控制點由GPS或是全站一起進行傳統(tǒng)技術(shù)的控制測量，從而有效保證云坐標的科學轉(zhuǎn)換。通過數(shù)據(jù)獲取技術(shù)階段的有效運用，可以為邊坡監(jiān)測提供有效的保證，并且應該考慮到邊緣光斑變形以及覆蓋等問題，從而有效縮短系統(tǒng)邊緣的進度，有效減少掃描站的作業(yè)內(nèi)容。掃描過程中要盡可能多的獲取基坑變形數(shù)據(jù)，這樣才能在后期進行數(shù)據(jù)處理時，有更多的事實依據(jù)，將基坑的變形情況更加真實和精確的表示出來。

2.2 數(shù)據(jù)處理階段

將獲取的數(shù)據(jù)進行簡單的篩選處理后，發(fā)送到計算機中，利用專門的軟件進行數(shù)據(jù)處理。目前常用的數(shù)據(jù)處理軟件有Laser Control（擅長數(shù)據(jù)計算）、Geomagic（擅長數(shù)據(jù)對比）等，技術(shù)人員可以根據(jù)實際需要科學選擇處理軟件。這里以Laser Control為例，在導入數(shù)據(jù)后，先對數(shù)據(jù)進行一次點云過濾，目的是為了消除無關(guān)數(shù)據(jù)或失真數(shù)據(jù)對最終的變形監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響。篩選條件可以人為設置，刪除冗余數(shù)據(jù)后，也可以減輕工作量。點云過濾后剩余的數(shù)據(jù)，按照一定的次序進行排列，由系統(tǒng)自動進行分組，組內(nèi)數(shù)據(jù)完成點云拼接，生成一個新的標靶坐標。每三個標靶作為一組，對比坐標差異，并進行平差計算，取誤差最小的標靶坐標，提高監(jiān)測精度。

2.3 初步成果分析

在基坑變形監(jiān)測中運用三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢，在于可以獲得基坑的三維立體模型，并且可以用顏色加以區(qū)分，既方便人們進行對比觀察，又能夠?qū)崿F(xiàn)基坑形變的動態(tài)監(jiān)測。這樣一來，如果基坑的形變幅度已經(jīng)危及建筑安全，建筑單位就可以根據(jù)基坑的三維立體模型，及時制定處理措施，保證基坑及整個建筑的安全。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，技術(shù)小組要進行充分的討論和分析，并對三維立體模型進行完善。根據(jù)多組掃描數(shù)據(jù)，可以得到多個基坑立體模型。按照數(shù)據(jù)獲取的順序，進行模型的對比。以第一次掃描結(jié)果為參照，分別進行兩兩比較，得出隨時間推移基坑的變形情況。技術(shù)人員還可以利用軟件對基坑今后的變形情況進行預測，作為制定基坑變形應對策略的參考依據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在實際基坑監(jiān)測案例中的應用

3.1 工程簡介

某高層建筑工程緊鄰工業(yè)園區(qū)，根據(jù)施工方案需要開挖深度為13m的深基坑。根據(jù)前期地質(zhì)勘查結(jié)果，施工區(qū)域表層為粉質(zhì)粘土，下部為砂礫土。從建筑布局上看，基坑的北側(cè)靠近工業(yè)園區(qū)的廠房，其余方向均為公路，對基坑形變影響較小。因此，選取基坑北角作為三維激光掃描的重點區(qū)域。

3.2 監(jiān)測工作的實際步驟

3.2.1 基準點及監(jiān)測點布設

根據(jù)基坑平面設計圖，確定基準點、監(jiān)測點和標靶的具體位置。對照施工現(xiàn)場情況，在基坑中將這些基準點標記出來。將測控元件分別放置在監(jiān)測點上，并調(diào)整各個監(jiān)測點的高度，同一平面上的各個監(jiān)測點，應當構(gòu)成一個水平網(wǎng)，以減少測量誤差。在水平網(wǎng)的中心位置，安裝一臺全站儀，可以精確測量標靶的位置。在標靶上連接一個紅外接收裝置，激光掃描儀進行掃描時，標靶上的紅外接收裝置可以捕捉信號。在監(jiān)測點布設操作中，必須要保證標靶、監(jiān)測點所在實際位置與設計圖紙中的位置高度對應。以全站儀測量結(jié)果作為標準，最大測角誤差不得超過3°，最大測距誤差不得超過1mm。技術(shù)人員觀察全站儀測量結(jié)果，如果實際誤差超過上述范圍，則應當重新調(diào)整設備并進行第二次測量，直到結(jié)果精度達到標準。

3.2.2 設站掃描

本次基坑變形監(jiān)測工作中，建筑公司使用的是美國原裝進口的Systems Sense支架式3D激光掃描儀。為了避免其他因素對掃描結(jié)果產(chǎn)生干擾，需要在兩站之間，放置3個位于同一直線上的公共標靶?？梢允褂萌S激光掃描儀檢測公共標靶是否呈一條直線，這樣獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)精度更高，并且方便后期進行數(shù)據(jù)匯總處理和分析。技術(shù)人員操作三維激光掃描儀，將分辨度調(diào)至“Super High”，對標靶進行掃描，獲取掃描數(shù)據(jù)后，在將分辨率調(diào)制“Middle”，對基坑側(cè)壁進行掃描?，F(xiàn)場掃描時，由于三維激光掃描儀的掃描面不能完全覆蓋基坑側(cè)壁，需要按照從上到下的原則，緩慢完成掃描。整個掃描時間大概持續(xù)6-8min。將獲取的數(shù)據(jù)進行簡單整理后，發(fā)送至計算機上，利用專門的軟件進行數(shù)據(jù)分析。

3.2.3 點云數(shù)據(jù)處理

掃描儀獲取的大量數(shù)據(jù)，以三維坐標的形式存儲在計算機的數(shù)據(jù)庫中。計算機識別這些坐標值后，按照一定的次序進行排列，形成高密度的點云數(shù)據(jù)。技術(shù)人員在進行數(shù)據(jù)處理時，將點云數(shù)據(jù)直接導入到Laser Control軟件中，并依次完成對點云數(shù)據(jù)的指向性處理。點云數(shù)據(jù)處理的基本步驟為：首先，利用軟件自帶的功能，在數(shù)據(jù)導入的同時，按照一定的標準對點云數(shù)據(jù)進行初級過濾。例如，技術(shù)人員可以人為設定精確度作為篩選條件，那些精度達不到要求的數(shù)據(jù)，就會直接被篩除掉。這樣就極大的減輕了工作量；其次，還要對過濾后的點云數(shù)據(jù)進行重新排列、組合和拼接?？梢詫⑾噜彽膬蓚€標靶拼接，或是將數(shù)據(jù)容量相等或相近的兩個點云數(shù)據(jù)進行組合等。

3.2.4 三維建模

將所有的點云數(shù)據(jù)拼接完成后，在計算機上可以得到若干組精確的坐標值。此時打開計算機上的三維建模軟件，將暫存在數(shù)據(jù)庫中的多組坐標值導入到建模軟件中，自動生成對應的基坑三維模型。將實際模型與設計模型進行對比，計算機自動標記出兩者不重合的部分，既為變形部分。三維建模是三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測應用中的最后一個環(huán)節(jié)。應當獲取盡可能多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建出更加真實、精度更高的三維模型，這樣才能最大限度的找出基坑變形部位，為技術(shù)人員制定針對性的應對方案提供了必要的參考。

3.3 三維激光掃描儀掃描成果

在基坑施工結(jié)束后，開始進行變形監(jiān)測，前后共進行6次三維激光掃描，實現(xiàn)了對基坑北角支護結(jié)構(gòu)變形情況的動態(tài)監(jiān)測。最后將獲取的點云數(shù)據(jù)用專業(yè)軟件進行處理和對比，構(gòu)建基坑的三維立體模型。每個模型分別用不同的顏色進行表示，可以更加直觀的觀察出基坑在一段時間內(nèi)的變形情況。另外，在冠梁上設置3個檢測點，分別為CW1、CW3、CW6，在這三個監(jiān)測點上用全站儀進行測量，將獲取的實測坐標與三維激光掃描獲取的標靶坐標進行對比，結(jié)果顯示誤差均在5mm以內(nèi)，且三維激光掃描獲取的坐標精度更高。如表1所示。

4 結(jié)語

在建筑施工中，由于地質(zhì)條件特殊，或是上部建筑的荷載壓力較大，容易導致基坑發(fā)生變形，導致地基出現(xiàn)不均勻沉降，影響建筑的整體質(zhì)量和使用安全。因此，都做好基坑變形的動態(tài)監(jiān)測十分必要。考慮到基坑本身具有隱蔽性的特點，需要借助于三維激光掃描技術(shù)，在非接觸的情況下獲取大量的基坑數(shù)據(jù)，并在計算機上建立三維立體模型，方便技術(shù)人員進行對比觀察。在應用三維激光掃描時，還可以同時使用全站儀，可以將全站儀獲取的數(shù)據(jù)作為補充或驗證。根據(jù)三維立體模型，技術(shù)人員及時制定基坑變形的應對措施，切實保障了現(xiàn)場施工安全。

參考文獻

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