三維激光掃描在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

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繪技術(shù)，具有非常顯著的優(yōu)勢。本文簡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)測中的應(yīng)用提供有用的參考價值。

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

中圖分類號：TB22? 文獻標(biāo)識碼：A??? 文章編號：1003-9082（2019）06-0-03

一、概述

隨著城市化進程的不斷推進，我國城市建設(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，基坑安全風(fēng)險越來越高，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)測設(shè)備屬于單點測量，效率低、勞動強度高。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)對象的數(shù)據(jù)點，具有高精度、高密度、非接觸式、免棱鏡測量以及測量精度均勻等優(yōu)點，實現(xiàn)從單點測量到面測量的革命性技術(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，具有非常顯著的優(yōu)勢。本文將綜述三維激光掃描技術(shù)在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析影響監(jiān)測精度的因素，展望該技術(shù)在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用前景。

二、三維激光掃描簡介

1.原理

三維激光掃描按照測量方式可分為脈沖式、相位差和三角測距^[4-7]。該技術(shù)基于激光測距原理，通過測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距原理。脈沖式測距又稱為時間飛行（TOF，Time of Flight）測距法，其測量過程為：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。最后，依據(jù)激光脈沖從發(fā)射到返回的時間差來計算儀器到目標(biāo)物的距離，測距公式為：

在獲取距離的同時，三維激光掃描儀器內(nèi)置的精密時鐘控制編碼器能夠同步獲取單個激光脈沖的水平與垂直方向角度。基于距離與水平、垂直方向角度，便可以計算出目標(biāo)點的三維坐標(biāo)，具體原理為：掃描儀一般采用相對坐標(biāo)系，掃描儀的激光脈沖發(fā)射中心為坐標(biāo)原點，x、y軸在相對坐標(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即可計算出目標(biāo)點的三維坐標(biāo)（x， y， z），計算公式為：

2.三維激光掃描流程

一個完整的三維激光掃描流程主要包括：點云數(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)域包括以下幾個方面^[9-16]：

a.工程測量領(lǐng)域：地形圖測量、路面測量、土木工程測量、變形監(jiān)測等。

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程短和精度高的特點，可以用于整形手術(shù)和人體矯正等。

c.建筑及文物保護領(lǐng)域：通過非接觸式測量，三維激光掃描能夠建立被保護對象的三維模型并存檔，未來需要進行修護時，這些高精度的三維模型將具有很好的參考價值。

d.逆向工程：對目標(biāo)實體或模型進行三維測量，逆向重構(gòu)三維數(shù)字模型，再依據(jù)三維模型來指導(dǎo)實體的建造，可用于汽車發(fā)動機、輪船、飛機核心零部件的逆向工程制造。

e.應(yīng)急服務(wù)：作為非接觸式測量技術(shù)，三維激光掃描不用破壞事故現(xiàn)場便可快速獲取現(xiàn)場的三維信息，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)備測量與建模：三維激光掃描能夠掃描工業(yè)廠房內(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)計制造提供直觀的參考資料。

三、三維激光掃描在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.文獻信息統(tǒng)計分析

通過中英文文獻檢索發(fā)現(xiàn)，將三維激光掃描應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測中的文獻并不多，而且?guī)缀踔辉谥形奈墨I中見到相關(guān)報道^[17-18]，并且這些文獻的質(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篇英文論文屬于會議論文，作者來自于同濟大學(xué)的中國學(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（簡稱：福建建科院），這表明福建建科院在該領(lǐng)域處于國內(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)勢并不明顯。剩下5篇則來自于設(shè)計院、市政建設(shè)公司、檢測公司等，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)測中的應(yīng)用仍然較少，處于探索發(fā)展階段，還未進入成熟應(yīng)用階段。目前基坑變形監(jiān)測仍然采用的是常規(guī)監(jiān)測手段。

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

（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)計院，高校的參與度較低。這可能是因為進行該項研究需要一次性投入較高的成本購置昂貴的三維激光掃描設(shè)備，而且還需要有實際的基坑工程作為依托工程，這兩點對于高校而言，難以同時具備。而企業(yè)在這兩方面則具有顯著的優(yōu)勢。

2.應(yīng)用案例

目前，基坑變形監(jiān)測中常用的三維激光掃描儀是基于激光脈沖測距原理進行測繪，其成套設(shè)備由掃描系統(tǒng)、激光測距系統(tǒng)和支架系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，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)測的多種需求。當(dāng)前市場推出的三維激光掃描儀器型號種類眾多，各種儀器的價格、參數(shù)差異較大。目前在國內(nèi)已經(jīng)用于基坑監(jiān)測的三維激光掃描儀器主要為兩家公司生產(chǎn)，一種是德國徠卡公司（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，包括國產(chǎn)儀器。

陳致富等^[1]利用徠卡Scanstation C10激光掃描儀對基坑施工現(xiàn)場圍護墻墻體的變形進行了監(jiān)測。根據(jù)基坑的形狀進行掃描站點布設(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，從而在保證測量精度的前提下盡可能地減少外業(yè)工作量和掃描時間。現(xiàn)場具體操作方式為：利用HDS 3英寸標(biāo)靶在基坑現(xiàn)場布置若干個監(jiān)測點，然后用全站儀測量這些監(jiān)控點的坐標(biāo)，之后采用三維激光掃描儀對這些監(jiān)測點以及基坑圍護墻面進行掃描，一次掃描后間隔一段時間進行重復(fù)掃描，獲得兩次基坑圍護墻面的點云數(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對獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理分析。將兩次數(shù)據(jù)差值對比，就能得到圍護墻體墻面的變形數(shù)據(jù)。該項研究結(jié)果表明：三維激光掃描技術(shù)獲得的點云數(shù)據(jù)量大，墻面變形大小直觀簡潔，然而變形監(jiān)測誤差比較大，最高誤差可達厘米級，僅能夠反映圍護墻體的變形趨勢。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，工地的振動對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墻體的點云數(shù)據(jù)，通過Geomagic軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理、三維建模，并進行圍護墻體的變形分析，得到基坑圍護墻體的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個徠卡HDS 3英寸公共標(biāo)靶。利用徠卡TCA2003全站儀確定測站點與標(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）分三站對這些標(biāo)靶和圍護墻體進行掃描。掃描完成后，利用cyclone軟件對點云數(shù)據(jù)進行去澡、濾波、拼接處理，拼接精度最高可達1 mm，之后三維建模得到基坑內(nèi)部支護結(jié)構(gòu)的可視化三維模型圖（圖4）。最后，采用第三方軟件Geomagic對兩期點云數(shù)據(jù)進行差值處理，通過顏色直觀、簡潔地顯示出支護結(jié)構(gòu)的變形量。

3.三維激光掃描在基坑監(jiān)測中的誤差分析

影響三維激光掃描精度的因素較多，針對基坑變形監(jiān)測而言，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，其單點定位精度6 mm/50 m、測距精度4 mm、標(biāo)靶中心點掃描精度1.5 mm。在現(xiàn)場掃描作業(yè)中還包括測站點與后視點的定位誤差、對中誤差、掃描誤差以及拼接誤差等，其中測站點的定位誤差5 mm、對中誤差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到的總體精度僅為18.5 mm。

四、三維激光掃描在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用展望

由于三維激光掃描技術(shù)在基坑監(jiān)測中的應(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)測中的應(yīng)用展望。

1.監(jiān)測方案

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測中可以采用多種站點布設(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個以上的控制點，并且控制點之間不能出現(xiàn) 3點共線與4點共面現(xiàn)象。TSP法是將基坑坑外全站儀水平位移監(jiān)測的基準(zhǔn)點作為控制點，然后用高精度全站儀進行控制點的三維坐標(biāo)傳遞：將一個控制點作為架站點，另一點作為后視定向點，建立工地現(xiàn)場的相對坐標(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方向。

2.數(shù)據(jù)獲取

針對不同的監(jiān)測方案，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。同時掃描距離、掃描區(qū)域的重疊范圍、儀器安置點的定位精度，是定位誤差、對中誤差、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)場試驗來測試，從而找出每一項誤差的主控因素，并研究出最優(yōu)化的誤差消除方法。

3.點云數(shù)據(jù)處理

對于基坑監(jiān)測所產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)，統(tǒng)稱為點云數(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。這些處理過程對于監(jiān)測數(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)測中的精度，需要著重進行誤差分析，從而對數(shù)據(jù)處理的算法進行改進，以提高監(jiān)測精度。

4.小結(jié)

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

五、結(jié)語

三維激光掃描是一項應(yīng)用性很強的技術(shù)，其測量精度非常高，但應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測時由于所受的影響因素較多，導(dǎo)致其監(jiān)測精度受到顯著影響。因此，要克服眾多困難，實現(xiàn)該技術(shù)的成熟應(yīng)用，需要進行大量的實際基坑工程監(jiān)測，通過不斷的實踐，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)測中的精度不夠高，還無法全面替代傳統(tǒng)的測量手段，但是可以和傳統(tǒng)的測量方法共同作業(yè)，優(yōu)勢互補。三維激光掃描作為一種新興的測量技術(shù)，其精度評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)測領(lǐng)域必將是未來發(fā)展的趨勢。

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作者簡介：蔣毅，男，1987年出生，博士，研究方向為巖土工程施工與監(jiān)測。