三维激光扫描技术在深基坑监测中的应用思考

三维激光扫描技术在深基坑监测中的应用思考

时佳龙

中国建材地勘中心甘肃总队，甘肃 天水 741000

摘要：随着城市的发展，深基坑工程变得十分常见，在深基坑工程中十分重要的一点就是基坑的检测，基坑检测是确保工程安全的重要措施，为了能够准确的获取基坑变形的相关数据，引入了三维激光扫描法。本文将针对三维激光扫描技术在深基坑检测中的应用提出几点建议。

关键词：三维激光扫描；深基坑；监测

近些年来随着城市化的进程不断加快，导致全国的建筑用地逐渐减少，为了缓解建筑用地的紧张，节约土地，建筑逐渐向着高层化发展，地下空间也得到了极大的利用，在地下空间利用率提高的同时，对于深基坑安全性的要求越来越高。但是传统的检测方式难以测量出复杂的三维空间数据，因此需要寻找新的方法进行代替，三维激光扫描技术也就应运而生。该技术可以高效地获取高密度的点云数据，用以建立目标的三维模型，在各种场景都得到了广泛的应用。本文将针对三维激光扫描技术在深基坑检测中的应用提出几点建议。

1. 三维激光扫描的基本原理及精度影响分析

1. 三维激光扫描的基本原理

三维激光扫描是一种集成了多种高新技术的三维坐标测量技术，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体表面的阵列式几何图形的三维数据。扫描仪器中集成了激光测距系统、扫描系统、CCD数字摄影及内部校正系统。目前，三维激光测量仪器测距可以采用的方法较多，如三角测距、脉冲测距、相位测距等。具体测距过程如下：首先激光发射器会发射一道速度极快的激光脉冲，激光接触到物体表面会产生回波信号，利用探测系统进行捕获，通过处理将回波产生的电信号转换成回波信息，然后通过回波信号与发射脉冲信号之间的间隔进行测量，最后得出被测物体与激光仪器之间的距离。并且这种仪器还有一个优点，测量出的结果精度较高。

2. 精度影响分析

三维激光扫描技术是主要依靠物理的方式获取测量地点的位置信息，因此测量误差是难以避免的。根据误差产生的原因进行分类，可以分为系统性误差与偶然性误差。多方面的因素都会引起测量误差，如仪器系统、扫描目标、外部环境等。仪器系统误差方面，可能是由于轴系相互旋转造成的测量误差与测角误差。目标物体与扫描激光光束角度过小、物体粗糙度等会造成扫描误差。包括温度、气压等都会造成扫描误差。在激光扫描过程中，激光测距对测量结果影响巨大，激光脉冲回波信号处理、脉冲计时误差等都会导致结果存在误差。因为是采用了物理的方式进行测量，因此在每一个环节都可能造成误差。

2. 三维激光扫描技术在基坑中的应用情况

1. 在数据获取阶段进行应用

在深基坑检测过程中，从数据获取阶段，就使用到了三维激光扫描技术。该技术在执行过程需要注意，需要关注测量地点的选取，对每个测量位置进行实时的定位，然后对最终的结果展开细致的分析，以求获取更多的基坑信息。在测量过程中，由于环境因素、设备因素等都会对测量结果的精度产生影响，因此，在选取了测量点之后，需要设置足够数量的控制点。只有保障了控制点数量的科学 性、位置的合理性，才可以在扫描技术应用时，利用GPS和全站仪来实现全面的控制，对测量对象开展更为精确地测量，通过这一测量控制，使得之前所设定的云坐标可以有效转化。具体的操作如下：工作人员需要提前准备好三维激光扫描仪、全站仪设备、HDS3英寸标靶等，在进行基坑测量时，工作人员需要将HDS3英寸标靶安装到基坑中央，然后在施工坐标系的基础上对HDS3英寸标靶进行检测，准确的获取到三维坐标，之后可以通过三维激光扫描仪采用中等密度的扫描方式对检测墙体与标靶进行扫描，在数据采集完成之后，利用Cyclong软件对三幅点云进行分析整理，科学的控制拼接精度，在去除掉噪点之后进行建模操作，从而准确的获取到基坑的内部支护结构图。

2. 在数据处理阶段的应用

数据采集阶段使用三维激光技术得到相应的坐标信息之后，就要开启数据处理阶段的操作。三维激光技术在处理阶段较为特殊，测量过程中反射信号是测量的关键因素，通过对反射信号的处理，可以将反射信号所包含的测量点的位置信息转换成特定的信息类型。相关人员通过对获得的云点数据进行分析与处理，在去除噪音等干扰信息之后，就可以获得更高精度的数据。之后利用三维建模工具建立三维模型。在数据处理过程中，需要借助一定的数据处理工具完成，通过专业工具的处理可以使得数据监控有更强的动态性与准确性。点云数据处理时，坐标纠正是主要的工作之一，由于目标的复杂性，通常需要从不同的方位扫描多个测站，才能将目标完全的扫描，每一个测站都有自己独立的坐标系，因此在三维模型的构建之前需要把所有测站的坐标数据统一到一个坐标之下。点云数据在统一到一个坐标的情况下，为了得到准确的地理位置，需要将地理参考加入其中，把仪器坐标下的点云数据纠正到大地坐标或者是地理坐标之下。数据缩减是处理数据的一个过程，需要对采集到的密集点云数据进行缩减，从而实现点云数据量的减少，通过去除无用的点云数据，可以极大地提高数据的处理效率。点云数据的优化一般采取两种方式，一是去除冗余，二是抽稀简化。在数据处理的最后阶段需要对数据进行分割与数据分类。在扫描点云数据中进行分割可以更好地进行关键地物的提取、分析与识别，分割的准确性直接影响到后续建模的有效性。三维激光扫描系统软件数据分割主要是通过手工完成，只有保障了控制点数量的科学性、位置的合理性，才可以在扫描技术应用时，利用GPS和全站仪来实现全面的控制，对测量对象开展更为精确地测量，通过这一测量控制，使得之前所设定的云坐标可以有效转化。

3. 点模型变形分析

点模型的变形分析中，主要是通过2D与3D模型的构建进行分析，相关人员可以通过模型获取到基坑的变形情况，可以及时地做出有效的措施进行处理。在3D模型分析过程中，使用到了Geomagic软件，这款软件使得工作人在点云数据的处理中更加方便快捷，3D模型中通过颜色的区别，颜色的深浅变化来呈现出现支护结构的变形量。工程人员可以及时地了解变形情况，对变形情况进行控制，为建筑的安全施工提供了足够的保障。在3D模型分析的过程中，还可以得到变形量的百分比分析表与模型分析表。通过两个表的对比，就能很轻松地分析出变形区域，对变形区域进行准确的定位。施工人员还可以根据上述信息进行综合的分析，得出变形的原因，加以整治。2D模型其实就是3D模型的阉割版，在3D建模完成的基础上，截取某一个平面就是2D模型。针对2D模型可以展开十分细致的分析，2D模型拥有放大功能，可以将模型放大之后慢慢地查找变形的原因。

3. 总结

本文分别从三维激光技术的原理、在工程的应用两方面进行了阐述。三维激光扫描技术主要的目的就是采集数据，在数据采集之后，进行数据的处理，最终完成3D模型的建立，可以让施工人员直观地了解到基坑的形变状况。为建筑的安全提供了充足的保障。三维激光扫描技术的测量效率与精度都非常高，十分适合基坑这种特殊环境。随着基坑项目日益的增多，三维激光扫描技术将得到更加广泛的应用。可以有效地帮助施工人员进行基坑的检测，为国家经济的健康发展作出了巨大的贡献。

参考文献

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[2]樊廷立,唐超,王柄强.移动三维激光扫描技术在盾构隧道收敛监测中的应用[J].测绘通报,2020(09):50-53.

[3]王英汀. 三维激光扫描技术在基坑变形监测和岩土体参数反演中的应用[D].青岛理工大学,2019.