三維激光掃描技術(shù)對(duì)基坑測(cè)繪建模的方法及流程(大連大學(xué)新建學(xué)生服務(wù)中心)

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，大連 116622)

三維激光掃描儀是一種新型的測(cè)繪儀器，在文物修復(fù)、邊坡變形監(jiān)測(cè)、開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)、立體模型建立等方面均有應(yīng)用[1-2]。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪方式，三維激光掃描儀能夠在更短的短時(shí)間內(nèi)，高精度地測(cè)得傳統(tǒng)測(cè)繪方式難測(cè)甚至測(cè)不到的復(fù)雜建筑物及地形表面的幾何圖形[3]。如果將建筑物的沉降數(shù)據(jù)與3D圖形相結(jié)合能夠更加直觀的反映出基坑的沉降，便于對(duì)基坑沉降的分析。本文以大連大學(xué)新建的學(xué)生服務(wù)中心基坑為例，說(shuō)明了應(yīng)用三維激光掃描儀技術(shù)對(duì)基坑測(cè)繪建模的方法及流程。

大連大學(xué)新建學(xué)生服務(wù)中心基坑的東西方向長(zhǎng)約200m，南北方向長(zhǎng)度約40m。數(shù)據(jù)采集采用的是Faro Focuss70地面三維激光掃描儀，F(xiàn)aro Focuss70地面三維激光掃描儀的最大測(cè)距為70m，測(cè)距精度為±1mm。采集的點(diǎn)云首先使用Faroe儀器配套的Faro scene軟件中完成點(diǎn)云的初處理及注冊(cè)后，在geomagic studio軟件中進(jìn)行下一步的處理、建模。

1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀在工作過(guò)程中，利用水平角反射鏡以及測(cè)量天頂距反射鏡有序旋轉(zhuǎn)的形式，對(duì)空間距離、水平角度、天頂距里進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)計(jì)算坐標(biāo)的方式來(lái)確定所測(cè)物體的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)繪圖[4]。

2 地面三維激光掃描儀與全站儀測(cè)繪的比較

地面三維激光掃描儀與全站儀的相似之處：1)全站儀和三維激光掃描儀都是采用測(cè)角、測(cè)距再計(jì)算坐標(biāo)的方法測(cè)定點(diǎn)位；2)全站儀和三維激光掃描儀都是通過(guò)光電測(cè)距；3)兩者都是測(cè)繪儀器；4)和一些無(wú)需棱鏡的全站儀一樣，三維激光掃描儀不需要合作目標(biāo)(棱鏡等)[5]。

三維激光掃描儀相對(duì)于全站儀的優(yōu)勢(shì)：

(1)效率更高

全站儀是單點(diǎn)測(cè)繪，由目鏡對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，激光發(fā)射出去一次，測(cè)量一次數(shù)據(jù)，而激光掃描儀是多點(diǎn)測(cè)繪，在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)，激光不停的測(cè)量，獲取掃描儀到被測(cè)物體之間的空間關(guān)系，由激光掃描儀自身完成，人工干預(yù)少，可以在一小時(shí)內(nèi)測(cè)得幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

(2)使用人力少

使用全站儀測(cè)繪至少要有兩個(gè)人，并且還需要不斷進(jìn)行測(cè)量工作，而三維激光掃描儀是全自動(dòng)的，只需要一個(gè)人維護(hù)好周圍環(huán)境，使得儀器不被干擾就行；

(3)測(cè)圖更加精確

三維激光掃描儀采集點(diǎn)云的精度高、密度大，對(duì)掃描目標(biāo)的特征描述更加精確；

(4)內(nèi)業(yè)處理自動(dòng)化程度高

三維激光掃描儀點(diǎn)云處理主要工作是點(diǎn)云的修補(bǔ)、刪除及對(duì)軟件自動(dòng)處理時(shí)的調(diào)控，而全站儀測(cè)繪則需要根據(jù)草圖及測(cè)繪數(shù)據(jù)，手動(dòng)繪制圖形；

(5)具有穿透能力

三維激光掃描儀的激光具有一定的穿透性，能穿透不太密的植被等障礙物到達(dá)目標(biāo)實(shí)體的表面[6]。

3 三維激光掃描數(shù)據(jù)的采集

掃描數(shù)據(jù)的采集前，要觀察周圍的環(huán)境，選定掃描儀與標(biāo)靶球的放置位置。保證掃描儀在工作過(guò)程中不被行人或樹(shù)木遮擋，掃描儀的掃描范圍能夠?qū)⒒拥倪吘壿喞卣鳙@取完整，測(cè)站與標(biāo)靶球的距離在儀器的識(shí)別范圍之內(nèi)[7]。

確定測(cè)站距離開(kāi)始掃描。測(cè)站的距離太大，采集的數(shù)據(jù)少，對(duì)后期處理精度造成影響，測(cè)站距離太小，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，給后期數(shù)據(jù)處理造成了困難[8]。通視好的情況下，每測(cè)站的掃描距離為70m左右，保證相鄰測(cè)站間有一定的點(diǎn)云重疊區(qū)。通視不好的情況下，根據(jù)環(huán)境情況增加掃描站數(shù)，保證目標(biāo)區(qū)域掃描完整。在本次三維激光掃描數(shù)據(jù)的采集中，共設(shè)置了3個(gè)測(cè)站，每測(cè)站的掃描時(shí)長(zhǎng)為8分鐘，每?jī)蓽y(cè)站之間的距離在60m左右，標(biāo)靶球與測(cè)站的距離在30m左右。

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初步處理

點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)的初步處理在儀器配套的Faro Scene軟件中進(jìn)行。

4.1 點(diǎn)云的處理及注冊(cè)

點(diǎn)云的處理及注冊(cè)均可采用軟件中自帶的自動(dòng)處理及注冊(cè)功能，并不需要過(guò)多的操作。

需要注意的是在處理參數(shù)中需要設(shè)置自動(dòng)查找標(biāo)靶球，如果電腦不能自動(dòng)準(zhǔn)確地查找到標(biāo)靶球，則需要手動(dòng)標(biāo)記標(biāo)靶球[9]，如果通過(guò)手動(dòng)標(biāo)記仍不能識(shí)別出耙球就不能夠完成注冊(cè)，需要將耙球與測(cè)站的位置調(diào)近重新測(cè)圖；點(diǎn)云的注冊(cè)也可以不使用耙球，通過(guò)標(biāo)記相鄰測(cè)站中的共同位置的點(diǎn)來(lái)完成注冊(cè)，然而精度沒(méi)有標(biāo)記耙球精度高，所以不建議使用[10]；耙球的手動(dòng)識(shí)別如圖1所示，注冊(cè)后點(diǎn)云如圖2所示。

圖1 手動(dòng)識(shí)別耙球

圖2 點(diǎn)云注冊(cè)

4.2 點(diǎn)云的導(dǎo)出

初步處理完成后，需要將已排序的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以wrl格式導(dǎo)出，以便后處理的進(jìn)行。

5 點(diǎn)云的后續(xù)處理

點(diǎn)云的后處理在geomagic studio軟件中進(jìn)行。

5.1 點(diǎn)云的比率采樣

由于點(diǎn)云的數(shù)據(jù)比較大會(huì)導(dǎo)致電腦瀏覽數(shù)據(jù)卡頓、處理數(shù)據(jù)困難，所以需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行比率采集[11]。根據(jù)多次合圖試驗(yàn)結(jié)果和大量的相關(guān)案例得出：在采樣比率為50%的情況下，電腦能夠流暢地瀏覽處理數(shù)據(jù)，并且能夠保證數(shù)據(jù)處理精度。圖3中a為100%采樣率的點(diǎn)云，b為50%采樣率的點(diǎn)云。

(a)100%采樣率 (b)50%采樣率圖3 不同采樣率對(duì)比

5.2 噪音點(diǎn)及雜點(diǎn)的刪除

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)一些噪音點(diǎn)，本次數(shù)據(jù)處理采用中等降噪等級(jí)[12]。軟件提供對(duì)體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)的刪除功能，然而考慮到可能會(huì)誤刪除建筑物的部分小部件，所以雜點(diǎn)的刪除主要采用手動(dòng)刪除的方式[13]。雜點(diǎn)刪除前對(duì)比如圖4所示。

(a)雜點(diǎn)刪除前 (b)雜點(diǎn)刪除后圖4 雜點(diǎn)刪除前后對(duì)比

5.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并封裝

在點(diǎn)云的合并封裝中要注意設(shè)置刪除重疊。為了保證點(diǎn)云的整體不會(huì)有缺失，點(diǎn)云的合并封裝中要對(duì)小組件進(jìn)行保留[14]。不保留小組件與保留小組件的封裝效果對(duì)比如圖5所示。

(a)不保留小組件 (b)保留小組件圖5 不保留小組件與保留小組件對(duì)比

5.4 孔洞修補(bǔ)

三維模型建立后，模型表面會(huì)出現(xiàn)一些漏洞。根據(jù)漏洞種類的不同，分別使用內(nèi)部孔、連接孔、搭橋方式對(duì)孔洞進(jìn)行修補(bǔ)[15]。補(bǔ)洞前后對(duì)比如圖6所示。

(a)補(bǔ)洞前效果 (b)補(bǔ)洞后效果圖6 補(bǔ)洞前后效果圖對(duì)比

5.5 模型的簡(jiǎn)化

為了方便對(duì)模型的瀏覽、編輯，需要將模型在滿足使用精度的前提下進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[16。簡(jiǎn)化后的模型在曲率大的區(qū)域會(huì)保留足夠多的點(diǎn)，在曲率小的地方會(huì)保留較少的點(diǎn)。所以簡(jiǎn)化后的模型特征將會(huì)得到保證，不會(huì)因此失真[17]。模型的簡(jiǎn)化主要是根據(jù)不同的電腦配置來(lái)適應(yīng)設(shè)置的，在本次處理中將模型簡(jiǎn)化到了70%。最終效果如圖7所示。

圖7 最終基坑效果圖

6 結(jié)論與展望

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行結(jié)合運(yùn)用，利用三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)一定幅度地提高基坑變形監(jiān)測(cè)的效果。

三維激光掃描技術(shù)除了應(yīng)用于監(jiān)測(cè)方面外，在施工方面也有一定的應(yīng)用前景。如果將三維激光掃描技術(shù)與BIM建模技術(shù)結(jié)合，把三維激光掃描儀所測(cè)得的基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Revit軟件中作為底圖，利用BIM技術(shù)在真實(shí)的施工現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行仿真的施工過(guò)程建模，有望對(duì)施工安排和施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控有一定的幫助。