浅析三维激光扫描技术在基坑变形监测中的应用

李平生

摘 要：在建筑施工中，基坑虽然是一种临时性工程，但是对确保现场作业的顺利开展以及提升建筑工程的整体质量都发挥了重要作用。基坑本身具有隐蔽性的特点，加上施工区域的地质条件复杂，基坑容易出现变形甚至是坍塌等问题。建筑单位通过动态的监控基坑变形情况，可以及时采取应对措施，保证基坑的稳定性。三维激光扫描技术具有高精度、高速度、高分辨率的特点，在基坑变形监测中具有突出应用优势。熟练掌握三维激光扫描技术在基坑变形监测中的应用技巧，也成为提升建筑施工质量的一种有效措施。

关键词：基坑工程；变形监测；三维激光扫描；应用

中图分类号：TU196.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0112-02

1 三维激光扫描的基本原理及精度影响分析

1.1 三维激光扫描的基本原理

通过高速扫描、高频社光束技术融合的技术形式，在其运用的工程中，可以获得反射信号并呈现出成像的技术特点。反射信号通过机内处理技术的运用，可以将带有三维坐标的海量点数据进行转换，通常情况下将这种数据称之为“点云”，在点云数据经过处理之后，可以通过三维建模软件的处理，构建明确性的三维模型，并对后期的数据进行有效分析。在三维技术运用的过程中，为了有效培养基坑监测工作的系统性、全面性，应该实现现代化的技术运用水平，并尝试将三维激光有效的融入在基坑检测中，从而为三维技术的有效运用提供依据。

1.2 精度影响分析

在利用三维激光扫描技术进行基坑变形监测的时候，点云的精度比较容易受到扫描距离的影响。如果扫描设备与被测物体之间的距离过远，则会导致扫描数据的精确度下降，一些细微的变形很难检测到。因此，技术人员应当结合现场勘查，科学选择扫描仪器的摆放位置，一般来说扫描仪器与被测物体之间的距离要控制在40m-60m之间，可以确保最终获取的数据符合使用需要。同时，为保证后视点和测站点的坐标精度，可以选择水准仪和全站仪设备进行后视点和测站点的测量工作，通过多次测量将数据的平均值作为后视点和测站点的坐标，从而有效保证数据质量。此外，在进行标靶扫描的时候，尽量选择小间距、高精度的点云扫描模式进行精细扫描，使基坑变形监测更具有精确性和完整性。

2 三维激光扫描在基坑监测中的技术运用

2.1 数据获取阶段

在数据获取的过程中，其主要的工作内容就是在项目运行的过程中实现设站扫描技术，整个环节中应该对站点坐标进行定位及架设分析。为了在技术操作的过程中充分满足部分精度测量的准确性，需要在扫描区域布设“扫描控制点”，这一控制点由GPS或是全站一起进行传统技术的控制测量，从而有效保证云坐标的科学转换。通过数据获取技术阶段的有效运用，可以为边坡监测提供有效的保证，并且应该考虑到边缘光斑变形以及覆盖等问题，从而有效缩短系统边缘的进度，有效减少扫描站的作业内容。扫描过程中要尽可能多的获取基坑变形数据，这样才能在后期进行数据处理时，有更多的事实依据，将基坑的变形情况更加真实和精确的表示出来。

2.2 数据处理阶段

将获取的数据进行简单的筛选处理后，发送到计算机中，利用专门的软件进行数据处理。目前常用的数据处理软件有Laser Control（擅长数据计算）、Geomagic（擅长数据对比）等，技术人员可以根据实际需要科学选择处理软件。这里以Laser Control为例，在导入数据后，先对数据进行一次点云过滤，目的是为了消除无关数据或失真数据对最终的变形监测结果产生影响。筛选条件可以人为设置，删除冗余数据后，也可以减轻工作量。点云过滤后剩余的数据，按照一定的次序进行排列，由系统自动进行分组，组内数据完成点云拼接，生成一个新的标靶坐标。每三个标靶作为一组，对比坐标差异，并进行平差计算，取误差最小的标靶坐标，提高监测精度。

2.3 初步成果分析

在基坑变形监测中运用三维激光扫描技术的优势，在于可以获得基坑的三维立体模型，并且可以用颜色加以区分，既方便人们进行对比观察，又能够实现基坑形变的动态监测。这样一来，如果基坑的形变幅度已经危及建筑安全，建筑单位就可以根据基坑的三维立体模型，及时制定处理措施，保证基坑及整个建筑的安全。根据数据处理结果，技术小组要进行充分的讨论和分析，并对三维立体模型进行完善。根据多组扫描数据，可以得到多个基坑立体模型。按照数据获取的顺序，进行模型的对比。以第一次扫描结果为参照，分别进行两两比较，得出随时间推移基坑的变形情况。技术人员还可以利用软件对基坑今后的变形情况进行预测，作为制定基坑变形应对策略的参考依据。

3 三维激光扫描技术在实际基坑监测案例中的应用

3.1 工程简介

某高层建筑工程紧邻工业园区，根据施工方案需要开挖深度为13m的深基坑。根据前期地质勘查结果，施工区域表层为粉质粘土，下部为砂砾土。从建筑布局上看，基坑的北侧靠近工业园区的厂房，其余方向均为公路，对基坑形变影响较小。因此，选取基坑北角作为三维激光扫描的重点区域。

3.2 監测工作的实际步骤

3.2.1 基准点及监测点布设

根据基坑平面设计图，确定基准点、监测点和标靶的具体位置。对照施工现场情况，在基坑中将这些基准点标记出来。将测控元件分别放置在监测点上，并调整各个监测点的高度，同一平面上的各个监测点，应当构成一个水平网，以减少测量误差。在水平网的中心位置，安装一台全站仪，可以精确测量标靶的位置。在标靶上连接一个红外接收装置，激光扫描仪进行扫描时，标靶上的红外接收装置可以捕捉信号。在监测点布设操作中，必须要保证标靶、监测点所在实际位置与设计图纸中的位置高度对应。以全站仪测量结果作为标准，最大测角误差不得超过3°，最大测距误差不得超过1mm。技术人员观察全站仪测量结果，如果实际误差超过上述范围，则应当重新调整设备并进行第二次测量，直到结果精度达到标准。

3.2.2 设站扫描

本次基坑变形监测工作中，建筑公司使用的是美国原装进口的Systems Sense支架式3D激光扫描仪。为了避免其他因素对扫描结果产生干扰，需要在两站之间，放置3个位于同一直线上的公共标靶。可以使用三维激光扫描仪检测公共标靶是否呈一条直线，这样获取的监测数据精度更高，并且方便后期进行数据汇总处理和分析。技术人员操作三维激光扫描仪，将分辨度调至“Super High”，对标靶进行扫描，获取扫描数据后，在将分辨率调制“Middle”，对基坑侧壁进行扫描。现场扫描时，由于三维激光扫描仪的扫描面不能完全覆盖基坑侧壁，需要按照从上到下的原则，缓慢完成扫描。整个扫描时间大概持续6-8min。将获取的数据进行简单整理后，发送至计算机上，利用专门的软件进行数据分析。

3.2.3 點云数据处理

扫描仪获取的大量数据，以三维坐标的形式存储在计算机的数据库中。计算机识别这些坐标值后，按照一定的次序进行排列，形成高密度的点云数据。技术人员在进行数据处理时，将点云数据直接导入到Laser Control软件中，并依次完成对点云数据的指向性处理。点云数据处理的基本步骤为：首先，利用软件自带的功能，在数据导入的同时，按照一定的标准对点云数据进行初级过滤。例如，技术人员可以人为设定精确度作为筛选条件，那些精度达不到要求的数据，就会直接被筛除掉。这样就极大的减轻了工作量；其次，还要对过滤后的点云数据进行重新排列、组合和拼接。可以将相邻的两个标靶拼接，或是将数据容量相等或相近的两个点云数据进行组合等。

3.2.4 三维建模

将所有的点云数据拼接完成后，在计算机上可以得到若干组精确的坐标值。此时打开计算机上的三维建模软件，将暂存在数据库中的多组坐标值导入到建模软件中，自动生成对应的基坑三维模型。将实际模型与设计模型进行对比，计算机自动标记出两者不重合的部分，既为变形部分。三维建模是三维激光扫描技术在基坑变形监测应用中的最后一个环节。应当获取尽可能多的监测数据，构建出更加真实、精度更高的三维模型，这样才能最大限度的找出基坑变形部位，为技术人员制定针对性的应对方案提供了必要的参考。

3.3 三维激光扫描仪扫描成果

在基坑施工结束后，开始进行变形监测，前后共进行6次三维激光扫描，实现了对基坑北角支护结构变形情况的动态监测。最后将获取的点云数据用专业软件进行处理和对比，构建基坑的三维立体模型。每个模型分别用不同的颜色进行表示，可以更加直观的观察出基坑在一段时间内的变形情况。另外，在冠梁上设置3个检测点，分别为CW1、CW3、CW6，在这三个监测点上用全站仪进行测量，将获取的实测坐标与三维激光扫描获取的标靶坐标进行对比，结果显示误差均在5mm以内，且三维激光扫描获取的坐标精度更高。如表1所示。

4 结语

在建筑施工中，由于地质条件特殊，或是上部建筑的荷载压力较大，容易导致基坑发生变形，导致地基出现不均匀沉降，影响建筑的整体质量和使用安全。因此，都做好基坑变形的动态监测十分必要。考虑到基坑本身具有隐蔽性的特点，需要借助于三维激光扫描技术，在非接触的情况下获取大量的基坑数据，并在计算机上建立三维立体模型，方便技术人员进行对比观察。在应用三维激光扫描时，还可以同时使用全站仪，可以将全站仪获取的数据作为补充或验证。根据三维立体模型，技术人员及时制定基坑变形的应对措施，切实保障了现场施工安全。

参考文献

[1]熊春宝，杨林，熊爱成，等.基于三维激光扫描异地控制法的深基坑变形监测[J].建筑技术，2016，47（9）：777-780.

[2]纪晓雨，沈志宁.VB和三维激光扫描仪在基坑塌陷事故预警中的应用[J].北京测绘，2016，（13）：164-166.

[3]夏正红，许利峰，袁梅，等.BIM技术在宁波绿地中心项目桩基及基坑围护项目工程施工中的应用[J].建设科技，2014，（5）：92-93.