三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

賈海湖

(信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院,陜西西安 710000)

三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

賈海湖

(信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院,陜西西安 710000)

本文對三維激光掃描技術(shù)的測量精度進(jìn)行了系統(tǒng)分析,然后依據(jù)根據(jù)建設(shè)部《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》所提出的精度要求,探討了其應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測的可行性,最后簡單介紹了利用三維激光掃描儀進(jìn)行測量的技術(shù)關(guān)鍵。

三維激光掃描 基坑變形 精度分析

三維激光掃描技術(shù)是近年來新發(fā)展的一種快速獲取空間信息的一種新技術(shù)，是測繪技術(shù)領(lǐng)域的一次新的革命。其能在短時(shí)間內(nèi)快速獲取大量的待測目標(biāo)的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為地物的快速建模和空間變化分析提供了一種新的工具，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[1-3]。基坑監(jiān)測是工程建設(shè)必須要做的一項(xiàng)工作。傳統(tǒng)利用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行基坑變形監(jiān)測，工作量大，任務(wù)重，而且是基于單個(gè)測量，效率低。如果能利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)基坑變形監(jiān)測，將大幅提高工作效率。本文基于目前已有的研究成果，探討三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的可行性及關(guān)鍵技術(shù)。

1 三維激光掃描技術(shù)的測量精度分析

精度是決定一個(gè)測量系統(tǒng)的優(yōu)劣的主要因素之一。影響三維激光掃描系統(tǒng)測量精度的因素較多，主要有離散誤差、環(huán)境光背景噪聲、特征提取的精度、鏡頭畸變、標(biāo)定誤差、表面散斑等方面。從誤差角度來看，影響測量精度的主要誤差來源可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律，可通過一定的措施加以消除。偶然誤差具有一定的不確定性，與具體的測量環(huán)境緊密相關(guān)[1-5]。以下以目前應(yīng)用較多的三維激光掃描儀徠卡(Leica)介紹其精度概況。徠卡(Leica)是最早的三維激光掃描技術(shù)的發(fā)起者。經(jīng)過了10年的發(fā)展，徠卡目前正引領(lǐng)著三維激光掃描儀的發(fā)展。HDS6000是徠卡最近推出的一款全球最快的三維激光掃描儀。每秒500，000點(diǎn)，掃描距離79米，單點(diǎn)測量的精度3毫米(50米距離)，距離讀數(shù)0.1毫米。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 徠卡HDS6000主要技術(shù)參數(shù)

2 可行性分析

根據(jù)建設(shè)部《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，基坑圍護(hù)墻(坡)頂水平位移監(jiān)測精度應(yīng)根據(jù)圍護(hù)墻(坡)頂水平位移報(bào)警值來確定。具體見表2。

對照HDS6000的技術(shù)指標(biāo)和規(guī)范要求，目前的三維激光掃描儀

表2 基坑圍護(hù)墻(坡)頂水平位移監(jiān)測精度要求(mm)

精度基本可以滿足設(shè)計(jì)變形控制值大于30mm的測量的精度要求。

3 技術(shù)關(guān)鍵

三維激光掃描的作業(yè)流程包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、變形數(shù)據(jù)提取與繪制等幾個(gè)步驟。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

由于基坑條件復(fù)雜，一站無法完全獲取全部地形信息，需要分站掃描，然后拼接數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理和分析。

在設(shè)站掃描之前，首先要熟悉場景，合理確定掃描儀和標(biāo)靶的位置。一要保證各掃描站結(jié)果能覆蓋所有的監(jiān)測區(qū)域;二要選擇布設(shè)較少的測站，以減少后續(xù)處理的復(fù)雜度。掃描同時(shí)應(yīng)盡可能獲取地物的影像信息，以便于后期的數(shù)據(jù)處理。每一測站掃描完后，對標(biāo)靶進(jìn)行精確掃描，以便后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠精確配準(zhǔn)。標(biāo)靶距離盡量合理適中，減少識(shí)別誤差[6，7]。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

地面三維激光掃描儀每次掃描只能得到測區(qū)局部的數(shù)據(jù)，為了得到測區(qū)完整的三維數(shù)據(jù)，往往需要從不同的位置進(jìn)行多次掃描，每次掃描得到的數(shù)據(jù)都處在以當(dāng)前測站為原點(diǎn)定義的一個(gè)局部坐標(biāo)系中。因此，需要在掃描區(qū)域中設(shè)置一些控制標(biāo)靶，利用保證相鄰測區(qū)的共同標(biāo)靶，進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，保證所有點(diǎn)云處于相同坐標(biāo)系下[7]。

3.3 點(diǎn)云過濾

隨著測量精度要求的提高，三維激光掃描儀獲取的很多“點(diǎn)云”數(shù)目包含大量的冗余數(shù)據(jù)，因此要對“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選壓縮處理。一般的篩選壓縮方法就是設(shè)定一個(gè)最小距離，然后沿掃描線方向比較相鄰兩點(diǎn)的距離，小于閾值的就刪除;還可以連接掃描線首末兩點(diǎn)，從中間點(diǎn)中選取與兩點(diǎn)距離最接近的點(diǎn)作為中斷點(diǎn)，然后以第一點(diǎn)與中間點(diǎn)之間、中間點(diǎn)與最后一點(diǎn)之間重復(fù)上述過程，知道所求的距離小于某一固定閾值中止，將點(diǎn)排序即可。還有人采用了斜率法和曲率不連續(xù)法用于數(shù)據(jù)點(diǎn)的判斷篩選，并應(yīng)用到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)中。

3.4 三維建模和量測可利用利用掃描儀自帶的軟件或第三方軟件，通過選取、截取、圍欄選定的點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配生成面和復(fù)雜形體表面的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，建成不同時(shí)期的三維模型，同時(shí)在軟件上進(jìn)行坐標(biāo)量測和等值線圖自動(dòng)生成。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)通過對激光照射目標(biāo)獲取點(diǎn)云，使得傳統(tǒng)的外業(yè)測量更多的以數(shù)字化的方式轉(zhuǎn)移到室內(nèi)來進(jìn)行，明顯降低了測量工作的難度和工作量。所得數(shù)據(jù)的可挖掘性好，多用性好，大大減少了現(xiàn)場測量的時(shí)間和次數(shù)。

采用三維激光掃描儀可以快速獲取變形體的三維數(shù)據(jù)，變形監(jiān)測工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度得以減輕，工作效率提高，監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。隨著三維激光掃描技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維激光掃描儀器快速和準(zhǔn)確等特點(diǎn)一定在基坑變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)有廣闊的發(fā)展空間。

[1]孫樹芳,方源敏.三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008,(30)：1-2.

[2]劉春,楊偉.三維激光掃描對構(gòu)筑物的采集和空間建模.工程勘察,2006,(4)：49-53.

[3]鄭德華,沈云中,劉春.維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析.測繪工程,2005,(6)：33-34.

[4]劉春,張?zhí)N靈,吳杭彬.地面三維激光掃描儀的檢校與精度評估.工程勘察,2009,(11)：56-60.

[5]沈彥文,宋益民.三維激光掃描儀在石灰回轉(zhuǎn)窯形變測量中的應(yīng)用,2009,(117)：71-73.

[6]劉文龍,趙小平.基于三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究.金屬礦山,2009,(392)：131-133.

[7]梅文勝,周燕芳,周俊.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測繪.測繪通報(bào),2010,(1)：53-57.

賈海湖,男,1972年02月26日生,漢族,山西運(yùn)城人,工程師,研究方向：巖土工程。