三維激光掃描技術對基坑測繪建模的方法及流程(大連大學新建學生服務中心)

(大連大學 建筑工程學院，大連 116622)

三維激光掃描儀是一種新型的測繪儀器，在文物修復、邊坡變形監測、開采沉陷監測、立體模型建立等方面均有應用[1-2]。相對于傳統測繪方式，三維激光掃描儀能夠在更短的短時間內，高精度地測得傳統測繪方式難測甚至測不到的復雜建筑物及地形表面的幾何圖形[3]。如果將建筑物的沉降數據與3D圖形相結合能夠更加直觀的反映出基坑的沉降，便于對基坑沉降的分析。本文以大連大學新建的學生服務中心基坑為例，說明了應用三維激光掃描儀技術對基坑測繪建模的方法及流程。

大連大學新建學生服務中心基坑的東西方向長約200m，南北方向長度約40m。數據采集采用的是Faro Focuss70地面三維激光掃描儀，Faro Focuss70地面三維激光掃描儀的最大測距為70m，測距精度為±1mm。采集的點云首先使用Faroe儀器配套的Faro scene軟件中完成點云的初處理及注冊后，在geomagic studio軟件中進行下一步的處理、建模。

1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀在工作過程中，利用水平角反射鏡以及測量天頂距反射鏡有序旋轉的形式，對空間距離、水平角度、天頂距里進行測量。通過計算坐標的方式來確定所測物體的三維坐標，實現繪圖[4]。

2 地面三維激光掃描儀與全站儀測繪的比較

地面三維激光掃描儀與全站儀的相似之處：1)全站儀和三維激光掃描儀都是采用測角、測距再計算坐標的方法測定點位；2)全站儀和三維激光掃描儀都是通過光電測距；3)兩者都是測繪儀器；4)和一些無需棱鏡的全站儀一樣，三維激光掃描儀不需要合作目標(棱鏡等)[5]。

三維激光掃描儀相對于全站儀的優勢：

(1)效率更高

全站儀是單點測繪，由目鏡對準被測物體，激光發射出去一次，測量一次數據，而激光掃描儀是多點測繪，在規定的測量范圍內，激光不停的測量，獲取掃描儀到被測物體之間的空間關系，由激光掃描儀自身完成，人工干預少，可以在一小時內測得幾百萬的點云數據；

(2)使用人力少

使用全站儀測繪至少要有兩個人，并且還需要不斷進行測量工作，而三維激光掃描儀是全自動的，只需要一個人維護好周圍環境，使得儀器不被干擾就行；

(3)測圖更加精確

三維激光掃描儀采集點云的精度高、密度大，對掃描目標的特征描述更加精確；

(4)內業處理自動化程度高

三維激光掃描儀點云處理主要工作是點云的修補、刪除及對軟件自動處理時的調控，而全站儀測繪則需要根據草圖及測繪數據，手動繪制圖形；

(5)具有穿透能力

三維激光掃描儀的激光具有一定的穿透性，能穿透不太密的植被等障礙物到達目標實體的表面[6]。

3 三維激光掃描數據的采集

掃描數據的采集前，要觀察周圍的環境，選定掃描儀與標靶球的放置位置。保證掃描儀在工作過程中不被行人或樹木遮擋，掃描儀的掃描范圍能夠將基坑的邊緣輪廓特征獲取完整，測站與標靶球的距離在儀器的識別范圍之內[7]。

確定測站距離開始掃描。測站的距離太大，采集的數據少，對后期處理精度造成影響，測站距離太小，采集的點云數據量大，給后期數據處理造成了困難[8]。通視好的情況下，每測站的掃描距離為70m左右，保證相鄰測站間有一定的點云重疊區。通視不好的情況下，根據環境情況增加掃描站數，保證目標區域掃描完整。在本次三維激光掃描數據的采集中，共設置了3個測站，每測站的掃描時長為8分鐘，每兩測站之間的距離在60m左右，標靶球與測站的距離在30m左右。

4 點云數據的初步處理

點云原始數據的初步處理在儀器配套的Faro Scene軟件中進行。

4.1 點云的處理及注冊

點云的處理及注冊均可采用軟件中自帶的自動處理及注冊功能，并不需要過多的操作。

需要注意的是在處理參數中需要設置自動查找標靶球，如果電腦不能自動準確地查找到標靶球，則需要手動標記標靶球[9]，如果通過手動標記仍不能識別出耙球就不能夠完成注冊，需要將耙球與測站的位置調近重新測圖；點云的注冊也可以不使用耙球，通過標記相鄰測站中的共同位置的點來完成注冊，然而精度沒有標記耙球精度高，所以不建議使用[10]；耙球的手動識別如圖1所示，注冊后點云如圖2所示。

圖1 手動識別耙球

圖2 點云注冊

4.2 點云的導出

初步處理完成后，需要將已排序的點云數據以wrl格式導出，以便后處理的進行。

5 點云的后續處理

點云的后處理在geomagic studio軟件中進行。

5.1 點云的比率采樣

由于點云的數據比較大會導致電腦瀏覽數據卡頓、處理數據困難，所以需要對點云進行比率采集[11]。根據多次合圖試驗結果和大量的相關案例得出：在采樣比率為50%的情況下，電腦能夠流暢地瀏覽處理數據，并且能夠保證數據處理精度。圖3中a為100%采樣率的點云，b為50%采樣率的點云。

(a)100%采樣率 (b)50%采樣率圖3 不同采樣率對比

5.2 噪音點及雜點的刪除

點云數據采集的過程中難免會出現一些噪音點，本次數據處理采用中等降噪等級[12]。軟件提供對體外孤點和非連接項的刪除功能，然而考慮到可能會誤刪除建筑物的部分小部件，所以雜點的刪除主要采用手動刪除的方式[13]。雜點刪除前對比如圖4所示。

(a)雜點刪除前 (b)雜點刪除后圖4 雜點刪除前后對比

5.3 點云數據合并封裝

在點云的合并封裝中要注意設置刪除重疊。為了保證點云的整體不會有缺失，點云的合并封裝中要對小組件進行保留[14]。不保留小組件與保留小組件的封裝效果對比如圖5所示。

(a)不保留小組件 (b)保留小組件圖5 不保留小組件與保留小組件對比

5.4 孔洞修補

三維模型建立后，模型表面會出現一些漏洞。根據漏洞種類的不同，分別使用內部孔、連接孔、搭橋方式對孔洞進行修補[15]。補洞前后對比如圖6所示。

(a)補洞前效果 (b)補洞后效果圖6 補洞前后效果圖對比

5.5 模型的簡化

為了方便對模型的瀏覽、編輯，需要將模型在滿足使用精度的前提下進行簡化處理[16。簡化后的模型在曲率大的區域會保留足夠多的點，在曲率小的地方會保留較少的點。所以簡化后的模型特征將會得到保證，不會因此失真[17]。模型的簡化主要是根據不同的電腦配置來適應設置的，在本次處理中將模型簡化到了70%。最終效果如圖7所示。

圖7 最終基坑效果圖

6 結論與展望

綜上所述，根據現場情況對三維激光掃描技術和傳統測量技術進行結合運用，利用三維激光掃描技術的優勢，將會一定幅度地提高基坑變形監測的效果。

三維激光掃描技術除了應用于監測方面外，在施工方面也有一定的應用前景。如果將三維激光掃描技術與BIM建模技術結合，把三維激光掃描儀所測得的基坑點云數據導入到Revit軟件中作為底圖，利用BIM技術在真實的施工現場中進行仿真的施工過程建模，有望對施工安排和施工過程中可能出現的問題進行主動調控有一定的幫助。