三维激光扫描技术在深基坑监测的应用研究

三维激光扫描技术在深基坑监测的应用研究

高跃伟

深圳市建设综合勘察设计院有限公司 中国 · 广东 深圳 518108

【摘要】在建筑工程施工过程中，深基坑施工是比较常见的施工环节，基坑监测环节是极为重要的，也是保障基坑安全的重要措施。三维激光扫描技术是一种新型的测绘技术，能够快速获取空间地理信息，为快速建模与空间变化分析提供精准的数据信息，被广泛应用于建筑行业当中。

【关键词】三维激光；扫描技术；深基坑；监测方法

Application of 3D Laser Scanning Technology in Deep Foundation Pit Monitoring

Yuewei Gao

Shenzhen Construction Comprehensive Survey and Design Institute Co., Ltd.,

Shenzhen, Guangdong, 518108, China

【Abstract】In the construction process of building engineering, deep foundation pit construction is a relatively common construction link, and the foundation pit monitoring link is extremely important and an important measure to ensure the safety of the foundation pit. 3D laser scanning technology is a new type of surveying and mapping technology that can quickly obtain spatial geographic information and provide accurate data information for rapid modeling and spatial change analysis. It is widely used in the construction industry.

【Keywords】3D laser; scanning technology; deep foundation pit; monitoring method

1 引言

传统测量方法在技术方面存在一定的限制，不能精准地表达比较复杂的三维空间数据，三维激光扫描技术是以计算机技术为基础的一种新型测绘技术，该技术能够快速精准地获取相关点云数据，且不用与被测物体之间接触，并建立三维模型，被广泛应用于考古测量、工业制造、建筑结构测量、桥梁、地基测绘等诸多领域当中。

2 三维激光扫描关键技术分析

2.1 数据采集

通常情况下，建筑项目在实际施工建设过程中，深基坑的地理条件相对比较复杂，当无法及时全面搜集到相关地形信息数据的情况下，就要进行分站扫描，之后对相应的数据信息进行综合分析与处理。在进行扫描之前，要对实际施工环境进行勘察，从而确定标靶与扫描仪的具体位置。要保障实际的扫描数据结果覆盖到整个监测区域，其次还应当选择布设相对比较少的测站，这样也能够保障在后续数据处理过程中的复杂程度，在扫描过程中要最大程度上获取相关地理环境影像数据信息，为后期数据处理工作提供保障。当完成每一测站扫描之后，要精准扫描标靶，从而实现后期的数据精确匹配，标靶的实际距离一定要合理，尽可能降低误差。

2.2 点云数据匹配

通常情况下，三维激光扫描仪在进行扫描作业过程中，只是得到一些局部区域的数据信息，为了获取比较完整的三维数据，就必须要从多个位置进行扫描，每次扫描所得到的数据要处在局部坐标系当中，所以，要在扫描区域当中设置控制标靶，保障相邻测绘区域共同标靶，并进行相应的数据匹配，保障点云位于相同坐标系下^[1]。

3 三维激光扫描原理与精度影响分析

3.1 基本原理

三维激光扫描仪主要是在高速精准激光测距仪为基础，配上引导激光均匀速度扫描的反射棱镜，激光测距仪在作业过程中发射激光，并接收到物体表面反射会的信号，达到测距的目的，对于每一个不同的扫描点可测得扫描点与测站间的斜距，之后配合扫描垂直方向与水平，获取扫描点和测站之间的坐标。当已知测站空间坐标，便可以计算扫描点坐标，获得三维点云数据。

X_P=Scosβcosα （1）

Y_P=Scosβsinα （2）

Z_P=Ssinβ （3）

图1 扫描点坐标原理

3.2 精度影响分析

3.2.1 激光测距

激光测距信号在反射过程中，由于受到多种因素的影响，不同环节之间都可能产生一定的误差，尤其是光学电路当中对于激光脉冲回波信号在实际处理过程中很可能会产生误差。如Z+F扫描仪，距离10cm处，测量精度为0.4mm，在50m处，精度下降到1.8mm。

3.2.2 扫描角

扫描角产生的影响包含激光束扫描的角度以及测量精度，角度导致引起的误差可能与扫描镜的转动产生的微小震动、平面角误差以及扫描电机转动控制状况等因素有关。制造可能会产生一定的误差，因此，角度测量要高度重视^[2]。

3.2.3 目标物体反射特点

激光测距通常情况下和目标物体实际反射激光能量有着密切的关联，反射的实际强度与物体表面反射性特征有着一定的影响。应物体表面反射特点存在差异性，也会造成激光测距出现不同程度的误差。反射特点与物体的粗糙程度、颜色以及材质等因素有关。

4 三维激光扫描技术在深基坑监测中的具体应用

4.1 工程案例

某工程项目基坑施工区域在商业区域周边，深基坑的实际深度在11m左右，安全等级为一级，目前在基坑的西侧主要是办公楼，其他区域为道路，以基坑的西北角为目标进行扫描，并获得激光扫描数据，对基坑的实际变形状况进行分析，并与全站仪监测的结果进行分析对比。

4.2 监测工作具体步骤

4.2.1 监测点与基准点分布

结合基坑的现场实际状况以及基坑的设计平面图状况，对标靶、监测点、测站的分布状况进行确定。测站主要采用强制对中装置，从而有效减少误差的可能。监测点可以直接放入棱镜，并由全站仪测量，转接头安装标靶也可用于测量，采用激光扫描仪进行全面扫描。

4.2.2 点云数据处理

Z+F扫描获取的相关数据是具有三维坐标的点云数据，并将数据信息录入到软件当中，通过软件工具进行过滤，并删除掉一些多余的信息数据，有效提升之后的处理效率。对两个标靶进行有效连接，并采取平差计算，从而提高拼接的精准度^[3]。

4.2.3 三维建模

通过对点云数据进行相应的处理之后，并导入到三维建模软件当中，建立支护结构的三维模型，通过相关软件对点云数据进行综合分析。

4.3 监测成果

经过前后约2个月之间，进行7次观测之后，获得基坑支护结构的整体实际变形状况，通过Geomagic进行数据分析对比，不同颜色能够显示边坡的整体实际位移状况，能够得出基坑位移量在2~3mm，和同期测斜仪数据大致吻合，基坑支护结构基本稳定。

5 结语

通过实践数据可得出，三维激光扫描技术可快速获取相关信息数据，且能够实现非接触测量，对于一些深基坑危险区域能够进行全面监测，最大程度上保障监测人员的安全。但是扫描距离在增加的同时，其实际精度也会逐渐下降，在扫描过程中，施工现场遮挡问题也相对突出，和传统测量方法可共同进行作业，从而充分发挥不同技术的优势，为中国测绘行业的健康稳定发展奠定良好的基础。

参考文献

[1]许新海.三维激光扫描技术在深基坑监测中的应用[J].城市勘测,2018,11(6):94-96.

[2]党晓斌.三维激光扫描技术在建筑物形变监测中的应用研究[D].西安:长安大学,2018.

[3]刘博涛.三维激光扫描技术在地面沉降监测中的应用研究[D].西安:长安大学,2018.