淺析三維激光掃描技術在基坑變形監測中的應用

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?，F場作業的順利開展以及提升建筑工程的整體質量都發揮了重要作用?；颖旧砭哂须[蔽性的特點，加上施工區域的地質條件復雜，基坑容易出現變形甚至是坍塌等問題。建筑單位通過動態的監控基坑變形情況，可以及時采取應對措施，保證基坑的穩定性。三維激光掃描技術具有高精度、高速度、高分辨率的特點，在基坑變形監測中具有突出應用優勢。熟練掌握三維激光掃描技術在基坑變形監測中的應用技巧，也成為提升建筑施工質量的一種有效措施。

關鍵詞：基坑工程；變形監測；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、高頻社光束技術融合的技術形式，在其運用的工程中，可以獲得反射信號并呈現出成像的技術特點。反射信號通過機內處理技術的運用，可以將帶有三維坐標的海量點數據進行轉換，通常情況下將這種數據稱之為“點云”，在點云數據經過處理之后，可以通過三維建模軟件的處理，構建明確性的三維模型，并對后期的數據進行有效分析。在三維技術運用的過程中，為了有效培養基坑監測工作的系統性、全面性，應該實現現代化的技術運用水平，并嘗試將三維激光有效的融入在基坑檢測中，從而為三維技術的有效運用提供依據。

1.2 精度影響分析

在利用三維激光掃描技術進行基坑變形監測的時候，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，則會導致掃描數據的精確度下降，一些細微的變形很難檢測到。因此，技術人員應當結合現場勘查，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據符合使用需要。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，通過多次測量將數據的平均值作為后視點和測站點的坐標，從而有效保證數據質量。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，使基坑變形監測更具有精確性和完整性。

2 三維激光掃描在基坑監測中的技術運用

2.1 數據獲取階段

在數據獲取的過程中，其主要的工作內容就是在項目運行的過程中實現設站掃描技術，整個環節中應該對站點坐標進行定位及架設分析。為了在技術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技術的控制測量，從而有效保證云坐標的科學轉換。通過數據獲取技術階段的有效運用，可以為邊坡監測提供有效的保證，并且應該考慮到邊緣光斑變形以及覆蓋等問題，從而有效縮短系統邊緣的進度，有效減少掃描站的作業內容。掃描過程中要盡可能多的獲取基坑變形數據，這樣才能在后期進行數據處理時，有更多的事實依據，將基坑的變形情況更加真實和精確的表示出來。

2.2 數據處理階段

將獲取的數據進行簡單的篩選處理后，發送到計算機中，利用專門的軟件進行數據處理。目前常用的數據處理軟件有Laser Control（擅長數據計算）、Geomagic（擅長數據對比）等，技術人員可以根據實際需要科學選擇處理軟件。這里以Laser Control為例，在導入數據后，先對數據進行一次點云過濾，目的是為了消除無關數據或失真數據對最終的變形監測結果產生影響。篩選條件可以人為設置，刪除冗余數據后，也可以減輕工作量。點云過濾后剩余的數據，按照一定的次序進行排列，由系統自動進行分組，組內數據完成點云拼接，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，提高監測精度。

2.3 初步成果分析

在基坑變形監測中運用三維激光掃描技術的優勢，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分，既方便人們進行對比觀察，又能夠實現基坑形變的動態監測。這樣一來，如果基坑的形變幅度已經危及建筑安全，建筑單位就可以根據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。根據數據處理結果，技術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。根據多組掃描數據，可以得到多個基坑立體模型。按照數據獲取的順序，進行模型的對比。以第一次掃描結果為參照，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。

3 三維激光掃描技術在實際基坑監測案例中的應用

3.1 工程簡介

某高層建筑工程緊鄰工業園區，根據施工方案需要開挖深度為13m的深基坑。根據前期地質勘查結果，施工區域表層為粉質粘土，下部為砂礫土。從建筑布局上看，基坑的北側靠近工業園區的廠房，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域。

3.2 監測工作的實際步驟

3.2.1 基準點及監測點布設

根據基坑平面設計圖，確定基準點、監測點和標靶的具體位置。對照施工現場情況，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測點上，并調整各個監測點的高度，同一平面上的各個監測點，應當構成一個水平網，以減少測量誤差。在水平網的中心位置，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。在監測點布設操作中，必須要保證標靶、監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。技術人員觀察全站儀測量結果，如果實際誤差超過上述范圍，則應當重新調整設備并進行第二次測量，直到結果精度達到標準。

3.2.2 設站掃描

本次基坑變形監測工作中，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果產生干擾，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，這樣獲取的監測數據精度更高，并且方便后期進行數據匯總處理和分析。技術人員操作三維激光掃描儀，將分辨度調至“Super High”，對標靶進行掃描，獲取掃描數據后，在將分辨率調制“Middle”，對基坑側壁進行掃描?，F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6-8min。將獲取的數據進行簡單整理后，發送至計算機上，利用專門的軟件進行數據分析。

3.2.3 點云數據處理

掃描儀獲取的大量數據，以三維坐標的形式存儲在計算機的數據庫中。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據。技術人員在進行數據處理時，將點云數據直接導入到Laser Control軟件中，并依次完成對點云數據的指向性處理。點云數據處理的基本步驟為：首先，利用軟件自帶的功能，在數據導入的同時，按照一定的標準對點云數據進行初級過濾。例如，技術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據，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據進行重新排列、組合和拼接?？梢詫⑾噜彽膬蓚€標靶拼接，或是將數據容量相等或相近的兩個點云數據進行組合等。

3.2.4 三維建模

將所有的點云數據拼接完成后，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，將暫存在數據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在基坑變形監測應用中的最后一個環節。應當獲取盡可能多的監測數據，構建出更加真實、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

在基坑施工結束后，開始進行變形監測，前后共進行6次三維激光掃描，實現了對基坑北角支護結構變形情況的動態監測。最后將獲取的點云數據用專業軟件進行處理和對比，構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，結果顯示誤差均在5mm以內，且三維激光掃描獲取的坐標精度更高。如表1所示。

4 結語

在建筑施工中，由于地質條件特殊，或是上部建筑的荷載壓力較大，容易導致基坑發生變形，導致地基出現不均勻沉降，影響建筑的整體質量和使用安全。因此，都做好基坑變形的動態監測十分必要?？紤]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，在非接觸的情況下獲取大量的基坑數據，并在計算機上建立三維立體模型，方便技術人員進行對比觀察。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據作為補充或驗證。根據三維立體模型，技術人員及時制定基坑變形的應對措施，切實保障了現場施工安全。

參考文獻

[1]熊春寶，楊林，熊愛成，等.基于三維激光掃描異地控制法的深基坑變形監測[J].建筑技術，2016，47（9）：777-780.

[2]紀曉雨，沈志寧.VB和三維激光掃描儀在基坑塌陷事故預警中的應用[J].北京測繪，2016，（13）：164-166.

[3]夏正紅，許利峰，袁梅，等.BIM技術在寧波綠地中心項目樁基及基坑圍護項目工程施工中的應用[J].建設科技，2014，（5）：92-93.