三維激光掃描技術在深基坑監測中的應用

許新海

(蚌埠市勘測設計研究院，安徽 蚌埠 233000)

三維激光掃描技術在深基坑監測中的應用

許新海*

(蚌埠市勘測設計研究院，安徽 蚌埠 233000)

隨著城市的發展，深基坑工程非常普遍，在深基坑的開挖過程中，基坑監測是基坑安全的重要保障。文章介紹了三維激光掃描技術的基本原理以及精度影響分析，討論了這項新技術相比于傳統測量的優勢。通過工程實例，說明了具體的掃描工作流程，對數據分析，得出監測結果，并與全站儀數據互相驗證。最后提出了目前仍存在的一些問題以及對未來的展望。

基坑監測；三維激光掃描；三維模型

1 引 言

傳統的測量技術手段難以表達復雜的空間三維數據，隨著計算機技術與相關科學技術的發展，為空間數據獲取提供了新的方法與手段。

三維激光掃描技術作為近年來新興的一門測繪技術，該技術科可以快速高效地獲取高密度的點云數據，無須和被測物體接觸，并重建目標的三維模型。已在古建筑保護、考古測量、工業制造、結構測量、河道測繪、橋梁、建筑物地基測繪等方面得到廣泛應用。

2 三維激光掃描的基本原理及精度影響分析

2.1 三維激光掃描的基本原理

三維激光掃描儀的主要構造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。

XP=Scosβcosα

YP=Scosβsinα

ZP=Ssinβ

圖1 掃描點坐標計算原理

如果測站的空間坐標是已知的，那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標，從而獲取三維點云數據。

2.2 精度影響分析

精度影響目前主要在以下幾個方面：

(1)激光測距的影響。

激光測距信號在處理的各個環節都會帶來一定的誤差，特別是光學電子電路中激光脈沖回波信號處理時引起誤差。以Z+F掃描儀為例，在近距離(10 m)處，可以達到 0.4 mm的測量精度，50 m處下降到 1.8 mm。

(2)掃描角的影響。

掃描角的影響包括激光束水平掃描角度和豎直掃描角度測量精度。掃描角度引起的誤差是掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描鏡轉動的微小震動、掃描電機的非均勻轉動控制等的綜合影響。盡管目前掃描儀的角度測量達到亞秒級別，但由于制造的誤差，角度測量仍然不可忽視。

(3)目標物體反射特性的影響

激光測距依賴于目標物體的反射激光能量，在任何情況，反射強度都受物體表面反射特性的影響。由于物體表面反射特性的差異，將導致激光測距產生一定的誤差。反射特性受物體的材質、粗糙程度，表面色彩等影響。

3 三維激光掃描技術在基坑監測中應用

3.1 工程簡介：

某基坑工程位于城市商業區附近，基坑深度約 11 m，基坑側壁安全等級為一級。基坑西側現狀為辦公樓，其余為現狀道路。選取基坑西北角邊坡進行掃描，獲取激光掃描數據，分析基坑的變形情況，同時與同期的全站儀監測結果對比分析。基坑局部的監測點分布如圖2所示：

圖2 基坑西北角監測點布置圖

3.2 監測工作分以下幾個步驟：

(1)基準點及監測點布設

根據基坑設計平面圖及現場的實際情況，確定測站、標靶及監測點的分布。測站采用強制對中裝置，減少對中誤差。監測點利用強制對中裝置，可以直接放入棱鏡，全站儀進行測量，也可以通過轉接頭安上標靶使用，通過激光掃描儀進行掃描，做到一點兩用。

標靶測量精度是三維點云精度的前提，我們利用Leica TCA2003全站儀(測角精度±0.5″，測距精度 1 mm+1 ppm)，精確測定標靶的中心坐標，用于獲取三維點云的絕對坐標。

(2)設站掃描

采用德國的Z+F IMAGER 5010C掃描儀，每兩站之間至少有3個公共標靶可見，激光掃描時同步掃描標靶，用于數據后處理時兩站之間的拼接。采用Super High分辨度對標靶進行局部掃描，用Middle分辨率進行基坑側壁掃描，單站掃描時間約 10 min。

(3)點云數據處理

Z+F掃描獲得的數據是帶有三維坐標的點云數據，將掃描數據導入Z+F LaserControl軟件，利用軟件工具對點云過濾，刪除多余數據，降低點云密度，提高后續處理的效率。點云過濾后進行點云拼接，利用兩個標靶進行拼接，第三個標靶作為多余觀測，進行平差計算，提高拼接精度。

拼接精度報告如圖3所示：

圖3 拼接精度報告

由拼接精度報告可以看出三個標靶球在X、Y、Z三個方向上偏差以及總偏差。

平均偏差：0.3 mm，標準偏差：0.1 mm，最大偏差：0.4 mm，完全滿足規范要求。

點云拼接完畢以后，對標靶的中心點進行擬合，輸入全站儀測得的精確坐標，通過標靶中心點坐標將點云數據歸化到工程坐標系中，獲取絕對坐標的基坑點云數據，如圖4所示。

圖4 基坑點云數據

(4)三維建模

將經過處理后的點云數據，導入三維建模軟件，建立支護結構的三維模型，通過軟件進一步對點云數據分析。

3.3 監測成果分析

(1)三維激光掃描儀掃描成果

歷經3個月前后7次觀測，初步得到基坑西北角支護結構的整體變形情況。選取8月25日，9月11日點云數據進行對比分析：(紅色與綠色區分表示)，如圖5所示。

利用Geomagic軟件將兩期數據對比分析，通過不同顏色顯示基坑邊坡的整體位移情況，也可獲取單點的位移，如圖6所示。

圖5 兩期基坑混合點云數據

圖6 基坑邊坡表面位移圖

可以看出基坑位移量均在2 mm～3 mm左右，與同期的測斜儀數據基本吻合，分析基坑支護結構基本穩定。

(2)三維激光掃描標靶坐標與全站儀棱鏡坐標對比

選用安置在冠梁上CW1、CW3、CW6監測點9月11日觀測數據作為分析對象，通過2種方法實測坐標較差均在 3 mm內，可以得出三維激光掃描坐標精度較高，可靠性好。

全站儀實測坐標與激光掃描坐標對比表 表1

4 結 論

通過以上分析，可以看出三維激光掃描技術獲得的數據量大，變形量直觀簡潔，非接觸測量的方式等有很大優勢。對于中小型基坑危險區域完全可以代替全站儀進行基坑監測，保證監測人員的安全。對于大型基坑由于涉及多站拼接，精度很難保證。同時隨著掃描距離的增加，精度也顯著下降，難以達到監測精度，可以作為全站儀測量的一種補充與驗證。另一方面，在掃描的過程中，施工工地遮擋的問題也比較突出，應該與傳統測量方法共同作業，發揮各自的優勢。

目前來看，三維激光掃描技術在測量領域的應用潛力還有待進一步開發利用，隨著技術的發展，儀器價格的降低以及精度的提高，這一技術在變形監測中的應用會更加廣泛。

[1] 徐進軍，王海城，羅喻真等. 基于三維激光掃描的滑坡變形監測與數據處理[J]. 巖土力學，2010，31(7)：2188～2191.

[2] 楊帆，董景利，薛偉等. 三維激光掃描技術及其相關軟件在建模方面的應用[J]. 地礦測繪，2012，28(3)：21～23.

[3] 王方建，習曉環，王成等. 地面激光掃描數據在建筑物重建中的研究進展[J]. 遙感信息，2014(6)：118～124.

[4] 黃承亮，吳侃，向娟. 三維激光掃描點云數據壓縮方法[J]. 測繪科學，2009，34(2)：142～144.

[5] 徐進軍，張毅，王海成. 基于地面三維激光掃描技術的路面測量與數據處理[J]. 測繪通報，2011(11)：34～36.

Applicationof3DLaserScanningTechnologyinDeepFoundationPitMonitoring

Xu Xinhai
(Bengbu Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Bengbu 233000，China)

With the development of the city，the deep foundation pit engineering is very common. In the process of deep foundation pit excavation，pit monitoring is an important guarantee for the safety of foundation pit. This paper introduces the basic principle of 3D laser scanning technology and the influence analysis of precision，and discusses the advantages of this new technology compared with the traditional measurement. Through the engineering example，the specific scanning workflow is explained，the data analysis is carried out，the monitoring result is obtained，and the data is verified with other data. Finally，some problems and prospects for the future are put forward.

the foundation pit monitoring；three-dimensional laser scanner；three-dimensional model

1672-8262(2017)06-87-03

P234

B

2017—10—30

許新海(1985—)，男，工程師，主要從事城市測量技術工作。