三维激光扫描技术在基坑开挖监测中的应用

三维激光扫描技术在基坑开挖监测中的应用

付志华

中国核工业华兴建设有限公司

摘要：在社会经济高速发展的背景下，带动了核电事业的飞速发展。核电土建施工前期，有大量的深基坑开挖工作，为了确保施工人员的人身安全及施工质量，做好基坑变形的监测工作具有必要性。本文对三维激光扫描系统的原理及误差分析做简要概述，对三维激光扫描技术在深基坑监测中的应用现状进行分析，并提出了具体的应用方法。

关键词：三维激光扫描仪；基坑监测

前言：

深基坑开挖监测是施工安全和施工质量的保证，也是核电建设行业中的一项重要工作内容。对与核电站施工现场的各厂房的基坑负挖，由于各种材料的大量堆积，施工人员数量多，活动场所范围小，给监测工作带来了较多的不便，导致监测工作效率下降。并且当前核电建设行业还在运用传统的基坑监测方法，监测点少，无法实现全面的检测，导致得出的监测结果存在较大的误差。三维激光扫描技术具有高效率和高精度特点，不需要接触目标物就可以实现监测，对提升监测效果具有重要作用。

一、三维激光扫描系统概述

（一）三维激光扫描系统原理

三维激光扫描系统是科学技术的产物，实现了对高新技术的应用，是一种新型的三维坐标测量仪器，在实际的使用过程中，主要是运用非接触式高速激光测量方式来实现的，以点云形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。在扫描仪器内，扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。通常将测距观测值用S表示，激光脉冲横向扫描角度观测值用α表示，纵向扫描角度观测值用θ表示，三维激光扫描系统内部存在坐标系统，分别用X轴、Y轴及Z轴表示。将P作为三维激光脚点，P坐标为（XS，YS，ZS），其计算公式为：

XS＝Scosθcosα

YS＝Scosθsinα

ZS＝Ssinθ

（二）三维激光扫描系统误差分析

三维激光扫描系统并不是精确无误的，会出现较大的系统误差，系统误差具有偶然性及系统性等特点。系统误差的偶然性主要是指在实际的监测过程中会出现较多的随机性误差。而系统误差的产生是由于三维激光扫描点的坐标出现一定的偏差。造成三维激光扫描系统产生误差的原因较多，通过对误差结果进行分析，总结出具有以下三种误差：与扫描目标相关的误差、仪器系统误差、受外界环境条件影响产生的误差。

第一，与扫描目标相关的误差主要是指受物体表面粗糙度及反射面倾斜影响，在进行三维激光扫描时，导致扫描光束与扫描目标产生的交角相对较小，进而影响测距及定位的精确性，导致激光光斑出现较大的误差。另外，三维激光扫描点云的精度也会对测量结果产生一定的影响，三维激光扫描系统在实际的应用过程中具有多值性特点，导致测量结果与实际情况出现一定的偏差。

第二，仪器系统误差受扫描角及激光测距影响较大。其中扫描角影响主要是指竖直扫描角及激光束水平扫描角度的精确性较差，受扫描电机非均匀转动控制及扫描镜的镜面平角误差影响。而激光测距的影响主要是指，在处理激光测距信号时各个环节都会出现误差，主要包括不确定间隔缺陷产生的误差及扫描仪脉冲及时产生的系统误差。

第三，三维激光扫描技术测量结果出现误差与空气质量、气压及室外温度有直接关系，会对仪器产生细微性的影响，激光在空气中的传播方向及在扫描中对仪器造成的微动都会受到较大的影响。

二、三维激光扫描技术在深基坑开挖监测中的应用现状

目前，三维激光扫描技术在实际的应用过程中，其硬件技术问题已经得到了良好的解决，国外出现了较多的三维激光扫描硬件系统及扫描数据处理系统，被广泛的应用于各个领域中，并且取得了良好的应用效果，三维激光扫描技术中的数据处理理论、使用方法及仪器设备应用方法较为成熟。

但是我国的三维激光扫描技术在实际的应用过程中还出现较多的问题。以在核电站深基坑开挖监测中应用为例，各项三维激光扫描技术相对较为落后，没有形成完善的激光扫描系统，对数据的处理过程存在较多问题，导致监测得出的数据与实际数据存在一定的误差。当前，我国的相关研究学者，已经认识到了三维激光扫描技术在施工建设中的优势，加大了对该技术的研究力度，对该技术在核电施工领域中应用的技术优势、存在的问题及可行性进行了深入的研究。将目标物体反射面、仪器误差及外界环境的干扰产生的误差作为重点分析项目，深入研究造成误差的原因，致力于研究更完善的三维激光扫描系统。

三、三维激光扫描技术在深基坑开挖监测中的应用

（一）数据采集

本文主要是运用三维激光扫描技术对核电施工深基坑开挖进行监测，主要是利用三维激光扫描仪及传统的测量技术相结合的形式对开挖的深基坑进行测量。传统的检测方法是采用全站仪免棱镜模式及其相关的配套棱镜开展测量工作，此法固然能够检测基坑的负挖质量，但是特征点的选取是通过人为观察判断，受人为主观意识影响较大，容易造成漏点或者判断上的失误，且测量的是单点坐标，通过点间连线来组图，图形反映比较单调和片面，测量步骤比较繁琐，需要搬迁多站才能测量完全。因此我们引入三维激光扫描系统研究更方便和全面的替代方法。

在实地勘察选定的点位上分别架设扫描仪，设站完成后即可开始扫描。扫描分为粗扫和精扫，粗扫采用中等精度即可，目的是获取全景图和标靶及坑壁特殊点的位置，以便为精扫照准方向。粗扫完成后，在仪器的屏幕上将全景图调出来，应用框选工具将标靶及特殊部位点云较少的位置进行加密精扫，以获得理想的点云数据。数据扫描完成后，利用全站仪免棱镜模式实测部分坑壁的特殊点并测量记录，利用这些数据对点云进行精度验证，实际满足要求。

（二）数据处理

要建立一个目标物的数字模型，必须进过一系列的数据处理操作。三维激光扫描数据处理可分为三个步骤：扫描数据的预处理、数据的拼接、特征数据的提取和应用分析。

（1）扫描数据的预处理

将点云数据从仪器中导入Cyclone软件中进行三维浏览，同时将全站仪测量的特征点作为独立的验证数据导入进行对比，验证两种测量方法的精度是否满足要求。数据预处理包括：

Ⅰ、杂点的处理：杂点就是测量错误的点，将点云数据放大后可看出，是明显原理被测对象表面的孤立的点。三维激光扫描仪生成的点云里就有较多的杂点，散步在物体四周，轮廓边缘外尤其多。对这样的点，一般用手工或使用分离点或轮廓功能将其选择后删除。

Ⅱ、噪声去除：产生噪声的原因是多方面的，包括被测对象表面因素产生的误差，由扫描仪本身引起的误差，测量方法的缘故，扫描仪受到震动，测量数据存在系统误差和随机误差，也有可能由偶然噪音引起的误差。对于这些噪声点可以用去除噪声功能去除，从而让点云数据更加平滑。

Ⅲ、冗余点：冗余点是因拼接或测量角度等问题产生重叠的多余的点。对三角化之后的模型进行对变形修补或者使用去除特征的功能能检测出这些冗余点，然后进行处理。

（2）扫描数据的拼接

点云拼接是将两个或两个以上基于扫描仪坐标系中的三维点云数据统一到同一坐标系下的过程。由于扫描基坑实地形状复杂，采用三维激光扫描测量时由于仪器的视场有限，每固定一站只能采集有限的数据，一般情况下对同一对象往往不能一次测出需要的所有数据，进行需要从不同位置、不同视角进行多次扫描测量，才能得到所需对象的完备数据，最后将扫描的这些点云数据通过粗差剔除、旋转对齐、多视拼接等操作，完成基于不同坐标系点云数据向同一坐标系下的转换。

采用标靶拼接是点云拼接最常用、精度较高的一种方法。将扫描数据导入Cyclone软件中进行拼接配准操作。扫描数据的获取都是基于测站坐标系，不同的测站获取的数据都是相对于测站的独立坐标系，配准就是在后数据处理过程中，将测站坐标系下的点云统一到一个独立的坐标系中，由于各站数据采用标靶拼接，目标是整体配准至施工坐标系中，得到最终的点云数据。点云处理流程的拼接精度可达到1mm。

配准后的点云数据是多站点的点云数据的总和，数量很大，通过重采用将点云数据进行优化，得到最终的基坑三维数据。

（三）3D模型分析

应用Cyclone软件来对点云数据进行分析，通过3D变形图中的颜色线条能够直观的看出支护结构的变形量。如图1所示。通过对图1进行分析能够得到表1，变形量的百分比分布如表2所示。

通过对表1和表2中的数据进行分析可知，基坑中最大的变形主要分布在（-0.008，0.008），最大的变形量主要集中在围护墙的左侧中部位置，变形量为-0.075m，造成变形的主要原因是由于墙体混凝土脱落造成的，如果基坑内部的变形情况微小，说明基坑结构具有稳定性，发生了较小的变形情况。给人们直观的了解，使人们能够一目了然的了解基坑。

（四）三维激光扫描仪技术与传统的测量技术对比

需要将三维激光扫描下的基坑数据与传统的数据进行对比，需要充分利用数据处理软件cyclone软件做好两次数据的对比工作，通过测斜仪能够明确地下每隔一段距离的水平变化情况，需要充分运用测斜仪开展测量工作，对导管全长每隔50cm处的位置进行数据测读，对读数及测点的深入进行记录。将测头的180°插入到同一导管中，取两次数据的平均值，对数据进行分析。

通过三维激光扫描技术与传统的技术进行对比可知，测斜数据会在地表位置产生较大的变形，越向下变形量越小。而三维激光扫描技术测得变形最大值在中间部位置，密集性较强，呈片状分布。从2D截面来看，上部及下不啊的变形情况较小，中间部位的变形情况较大。造成该种现象的原因有两种：第一，由于测斜管被捆绑在维护结构的钢筋笼上，由于维护结构的深度不同，导致出现变形情况，测量数据受外界影响较小，导致数据结果呈现出不稳定情况。第二，测斜仪在实际的测量过程中主要是通过测头内的高精度传感器测量实现的，需要将测量的精度控制在0.01mm/50cm，系统精度控制在±4mm/30m，有利于提高数据的精度。三维激光扫描仪的单点定位精度需要控制在6mm/50m，测距精度控制在4mm，标靶的中心点精度控制在1.5mm，能后有效避免在实际工作中出现严重的误差。因此，会导致思维激光扫描仪与传统的斜测仪出现较大的差异。

（五）三维激光扫描仪技术与传统的测量技术结果

由此可知，传统的斜测仪和三维激光扫描技术所得的变形信息主要是指基层维护墙体上的不同层面变形，两者具有一定的参照性及关联性。但是激光扫描技术在实际的作业中受外部环境影响较大，由于基坑的围护墙体表面会产生较大的不稳定性。而传统的斜测仪在进行数据测量时，主要是建立在测斜管底为零的情况下实现，导致双方监测到的变形信息呈现出不一致现象。

四、结论

三维激光扫描技术在深基坑开挖监测中具有良好的应用效果，具有数据量大及变形量直观简洁性等特点。但是由于应用的时间较短，各项监测技术还不完善，受物体表面粗糙度、及其设施振动及监测点数提取等误差影响较大，测量的精确度还不能达到实际测量要求，无法完全代替传统的监测设备，需要与传统的监测设备共同来使用。三维激光扫描技术作为一种新型的基坑监测技术，其相关的误差理论及精度评定还处于摸索过程中，但是该技术展现出了良好的发展前景，还需要不断的研究和实践。

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