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

田漢宇

（安徽省地礦局326 地質(zhì)隊(duì)，安徽 安慶 246000）

在深基坑施工時(shí)的施工監(jiān)測(cè)對(duì)施工具有重要的參考價(jià)值，三維激光掃描技術(shù)作為新的技術(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用中，可以以格網(wǎng)掃描密集獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠獲得高精度、高密度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使得實(shí)際的深基坑作業(yè)可以安全、高效開展。因此，在當(dāng)前及未來的深基坑工程項(xiàng)目中，都需要積極加大三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。

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

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用時(shí)，需借助三維激光掃描儀來獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其整體構(gòu)造中包含了高速精確的激光測(cè)距儀、反射棱鏡，其中，反射棱鏡的存在使得在激光掃描的過程中，能夠引導(dǎo)激光并保障掃描角速度的均勻性。具體的掃描過程中，激光測(cè)距儀會(huì)主動(dòng)發(fā)射激光，當(dāng)其接收到自然物表面反射的信號(hào)以后，就可以自動(dòng)完成測(cè)距，每一個(gè)掃描點(diǎn)都可以獲得測(cè)站和掃描點(diǎn)的斜距，再加上掃描水平方向角和垂直方向角的存在，就可以更為精確地獲得每一個(gè)掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)值[1]。如果在三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用過程中，測(cè)站的空間作為已知量，就可以根據(jù)相應(yīng)的測(cè)量，來獲得每個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，最終求得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

1.2 精度影響分析

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用過程中，由于掃描過程的特殊性，誤差是不可避免的，從誤差產(chǎn)生的來源來分析，激光掃描系統(tǒng)測(cè)量誤差主要以系統(tǒng)誤差和偶然誤差，其中，前者會(huì)造成掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差，而后者主要是由隨機(jī)誤差所引起的[2]。三維激光掃描技術(shù)在具體的應(yīng)用過程中，多方面的因素都會(huì)造成誤差，比如，儀器系統(tǒng)、掃描目標(biāo)、外界環(huán)境因素等。

儀器系統(tǒng)誤差再進(jìn)一步細(xì)分，包含了由軸系相互旋轉(zhuǎn)所造成的測(cè)距誤差和測(cè)角誤差。掃描目標(biāo)相關(guān)誤差多體現(xiàn)在目標(biāo)物體反射面與掃描激光光束交角過小、物體粗糙度方面。溫度、氣壓和空氣質(zhì)量等是外界因素的主要表現(xiàn)，同樣會(huì)在掃描時(shí)引起誤差。

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的過程中，激光測(cè)距對(duì)掃描數(shù)據(jù)的影響將非常直接，激光測(cè)距信號(hào)在處理時(shí)所造成的誤差可能會(huì)體現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用的多個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是在光學(xué)電子電路中，激光脈沖回波信號(hào)處理時(shí)，掃描儀脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差等都是重要的表現(xiàn)。

掃描角也會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響，具體表現(xiàn)在激光束水平掃描角度和豎直掃描角度的測(cè)量過程中。當(dāng)在三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用時(shí)，掃描角度誤差是由鏡面平面角誤差、掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的震動(dòng)、掃描電機(jī)的非均勻轉(zhuǎn)動(dòng)控制等引起的[3]。當(dāng)在三維激光掃描時(shí)，一旦掃描目標(biāo)反射面與掃描光束的交角比較小，測(cè)距和定位都會(huì)被激光光斑所影響，最終將會(huì)使得掃描時(shí)的誤差超出正常標(biāo)準(zhǔn)。此外，物體表面的粗糙程度在很大程度上是由激光掃描點(diǎn)云精度所造成的，為實(shí)現(xiàn)掃描精度控制，同樣需要加強(qiáng)對(duì)物體表面粗糙度的控制。

溫度、氣壓和空氣質(zhì)量等都屬于外部因素，這些因素同樣會(huì)對(duì)掃描精度產(chǎn)生一定的影響，在深基坑監(jiān)測(cè)過程中，如果選用的是三維激光掃描技術(shù)，必須要加強(qiáng)對(duì)這些因素的考慮。當(dāng)溫度、氣壓等外界環(huán)境存在較大變化時(shí)，尤其是在溫度變化時(shí)，將會(huì)給儀器造成一定的影響，風(fēng)力也會(huì)給掃描儀器造成一定的微動(dòng)。

2 三維激光掃描技術(shù)在基坑中的應(yīng)用情況

2.1 在數(shù)據(jù)獲取階段進(jìn)行應(yīng)用

在深基坑監(jiān)測(cè)過程中，從數(shù)據(jù)獲取階段開始，就需要利用三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用時(shí)，最為關(guān)鍵的是要在項(xiàng)目開展時(shí)，做好設(shè)站工作。數(shù)據(jù)獲取時(shí)，需對(duì)各個(gè)站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位，并根據(jù)最終的定位結(jié)果，來開展全面的分析和處理，獲得更多的測(cè)量數(shù)據(jù)。在三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用時(shí)，為保障測(cè)量結(jié)果的精度，必須要在特定的掃描區(qū)域內(nèi)，設(shè)置足夠多數(shù)量的控制點(diǎn)。只有保障了控制點(diǎn)數(shù)量的科學(xué)性、位置的合理性，才可以在掃描技術(shù)應(yīng)用時(shí)，利用GPS 和全站儀來實(shí)現(xiàn)全面的控制，對(duì)測(cè)量對(duì)象開展更為精確地測(cè)量，通過這一測(cè)量控制，使得之前所設(shè)定的云坐標(biāo)可以有效轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)獲取的過程中，三維激光掃描技術(shù)下，后續(xù)的邊坡測(cè)量可以直接利用這些數(shù)據(jù)和信息，從而使得深基坑監(jiān)測(cè)更為高效。三維激光掃描技術(shù)下，邊緣光斑、覆蓋等基本上不會(huì)對(duì)正常的測(cè)量作業(yè)產(chǎn)生干擾，可以使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度更高。

2.2 在數(shù)據(jù)處理階段中應(yīng)用

當(dāng)在數(shù)據(jù)獲取階段使用三維激光掃描技術(shù)獲得了相應(yīng)的數(shù)據(jù)以后，就需要在數(shù)據(jù)處理階段應(yīng)用該技術(shù)，從而更為高效、全面地完成深基坑的測(cè)量工作。三維激光掃描技術(shù)比較特殊，這一技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，反射信號(hào)是關(guān)鍵的要素，通過反射信號(hào)，可以將三維坐標(biāo)所獲得的海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定類型和格式的數(shù)據(jù)。專業(yè)人員在對(duì)云點(diǎn)數(shù)據(jù)加以技術(shù)分析和處理以后，就可以獲得更高精度的數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件，通過軟件的數(shù)據(jù)分析功能，就可以構(gòu)建出一個(gè)更為完善的三維立體模型，在該模型中更為直觀地呈現(xiàn)深基坑的具體情況，在該模型中，就可以直接開展更為精確、高效的監(jiān)測(cè)、處理和分析。

數(shù)據(jù)處理的過程中，重點(diǎn)是要對(duì)前期所獲得的三維作品開展更為有針對(duì)性的處理，具體的處理中，需借助于一定的數(shù)據(jù)工具來完成，通過工具的有效應(yīng)用，可以使得數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)更具動(dòng)態(tài)性和精確度，使得在深基坑施工的過程中，可以利用這一技術(shù)來開展全過程監(jiān)測(cè)。在連續(xù)性監(jiān)測(cè)下，掃描技術(shù)的應(yīng)用可以有效應(yīng)對(duì)深基坑工程中的變形和沉降問題。

2.3 點(diǎn)云模型的變形分析

點(diǎn)云模型的變形分析中，重點(diǎn)是要通過2D 和3D 模型的構(gòu)建，來開展更為全面、精準(zhǔn)的分析，根據(jù)對(duì)模型中各個(gè)參數(shù)的有效分析，有關(guān)施工人員就可以獲得基坑中的變形情況，進(jìn)而提前采取有效的方式來應(yīng)對(duì)變形。

2.3.1 3D 模型分析

3D 模型分析時(shí)，Geomagic 軟件是關(guān)鍵的工具，這一軟件在應(yīng)用時(shí)，可以使得相關(guān)人員在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和分析方面更為便捷，直接通過示圖顏色的區(qū)別和變化，來直觀呈現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量。與此同時(shí)，在利用此軟件進(jìn)行3D 模型的變形分析時(shí)，可以獲得變形量的百分比數(shù)據(jù)表和模型分析表，通過兩個(gè)圖表的最終對(duì)比，就可以最終定位變形區(qū)域，并通過在模型中現(xiàn)場(chǎng)情況的充分分析，來找出變形原因，最終確定最為有效的變形控制策略。

2.3.2 2D 模型分析

2D 模型分析時(shí)，Geomagic 軟件下可以直接在變形量3D 圖中選取基坑變形位置的剖面圖，當(dāng)這些信息完成以后，對(duì)于存在明顯變形的剖面，可以通過放大的方式來開展更為精確的測(cè)量，在此基礎(chǔ)上，也就可以獲得變形量的最大值、位置情況，由于基坑內(nèi)側(cè)變形方向、程度的掌握，就可以使得變形分析更為精準(zhǔn)。

2.4 注意事項(xiàng)及對(duì)策

在深基坑監(jiān)測(cè)工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)開展監(jiān)測(cè)時(shí)，由于點(diǎn)云的精度會(huì)在很大程度上受到掃描距離的干擾，當(dāng)距離過大時(shí)，數(shù)據(jù)偏差將同步增大。

因此，在掃描作業(yè)開展時(shí)，相關(guān)人員必須要全面做好現(xiàn)場(chǎng)情況的調(diào)查，結(jié)合掃描現(xiàn)場(chǎng)情況的掌握，來有效控制掃描距離，盡量使得掃描距離超過50m，通過掃描距離的科學(xué)確定，來提高掃描精度。在后視點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)精度的獲取方面，需利用水準(zhǔn)儀和全站儀設(shè)備來獲得，為保障測(cè)量結(jié)果的精確性，將測(cè)量結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差控制在合理的范圍內(nèi)，一般要反復(fù)多次開展測(cè)量，將最終的平均值作為后視點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量效率和精度非常高，在基坑變形監(jiān)測(cè)方面的技術(shù)應(yīng)用效果非常突出，在當(dāng)前日漸增多的深基坑工程項(xiàng)目中，工程企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，遵循技術(shù)應(yīng)用規(guī)范，提高掃描精度，為實(shí)際的深基坑監(jiān)測(cè)施工提供現(xiàn)實(shí)的參考。