三維激光掃描技術在深基坑監測的應用研究

田漢宇

（安徽省地礦局326 地質隊，安徽 安慶 246000）

在深基坑施工時的施工監測對施工具有重要的參考價值，三維激光掃描技術作為新的技術，在實際的應用中，可以以格網掃描密集獲取監測對象的相關數據，能夠獲得高精度、高密度的監測數據，使得實際的深基坑作業可以安全、高效開展。因此，在當前及未來的深基坑工程項目中，都需要積極加大三維激光掃描技術的應用。

1 三維激光掃描的基本原理及精度影響分析

1.1 三維激光掃描的基本原理

圖1 掃描點坐標計算原理

三維激光掃描技術應用時，需借助三維激光掃描儀來獲得相應的數據，其整體構造中包含了高速精確的激光測距儀、反射棱鏡，其中，反射棱鏡的存在使得在激光掃描的過程中，能夠引導激光并保障掃描角速度的均勻性。具體的掃描過程中，激光測距儀會主動發射激光，當其接收到自然物表面反射的信號以后，就可以自動完成測距，每一個掃描點都可以獲得測站和掃描點的斜距，再加上掃描水平方向角和垂直方向角的存在，就可以更為精確地獲得每一個掃描點與測站的空間相對坐標值[1]。如果在三維激光掃描技術的應用過程中，測站的空間作為已知量，就可以根據相應的測量，來獲得每個掃描點的三維坐標值，最終求得三維點云數據，如圖1 所示。

1.2 精度影響分析

三維激光掃描技術的應用過程中，由于掃描過程的特殊性，誤差是不可避免的，從誤差產生的來源來分析，激光掃描系統測量誤差主要以系統誤差和偶然誤差，其中，前者會造成掃描點的坐標偏差，而后者主要是由隨機誤差所引起的[2]。三維激光掃描技術在具體的應用過程中，多方面的因素都會造成誤差，比如，儀器系統、掃描目標、外界環境因素等。

儀器系統誤差再進一步細分，包含了由軸系相互旋轉所造成的測距誤差和測角誤差。掃描目標相關誤差多體現在目標物體反射面與掃描激光光束交角過小、物體粗糙度方面。溫度、氣壓和空氣質量等是外界因素的主要表現，同樣會在掃描時引起誤差。

三維激光掃描技術應用的過程中，激光測距對掃描數據的影響將非常直接，激光測距信號在處理時所造成的誤差可能會體現在技術應用的多個環節，尤其是在光學電子電路中，激光脈沖回波信號處理時，掃描儀脈沖計時的系統誤差等都是重要的表現。

掃描角也會對測量精度產生一定的影響，具體表現在激光束水平掃描角度和豎直掃描角度的測量過程中。當在三維激光掃描技術應用時，掃描角度誤差是由鏡面平面角誤差、掃描鏡轉動時的震動、掃描電機的非均勻轉動控制等引起的[3]。當在三維激光掃描時，一旦掃描目標反射面與掃描光束的交角比較小，測距和定位都會被激光光斑所影響，最終將會使得掃描時的誤差超出正常標準。此外，物體表面的粗糙程度在很大程度上是由激光掃描點云精度所造成的，為實現掃描精度控制，同樣需要加強對物體表面粗糙度的控制。

溫度、氣壓和空氣質量等都屬于外部因素，這些因素同樣會對掃描精度產生一定的影響，在深基坑監測過程中，如果選用的是三維激光掃描技術，必須要加強對這些因素的考慮。當溫度、氣壓等外界環境存在較大變化時，尤其是在溫度變化時，將會給儀器造成一定的影響，風力也會給掃描儀器造成一定的微動。

2 三維激光掃描技術在基坑中的應用情況

2.1 在數據獲取階段進行應用

在深基坑監測過程中，從數據獲取階段開始，就需要利用三維激光掃描技術，該技術應用時，最為關鍵的是要在項目開展時，做好設站工作。數據獲取時，需對各個站點坐標進行實時的定位，并根據最終的定位結果，來開展全面的分析和處理，獲得更多的測量數據。在三維激光掃描技術應用時，為保障測量結果的精度，必須要在特定的掃描區域內，設置足夠多數量的控制點。只有保障了控制點數量的科學性、位置的合理性，才可以在掃描技術應用時，利用GPS 和全站儀來實現全面的控制，對測量對象開展更為精確地測量，通過這一測量控制，使得之前所設定的云坐標可以有效轉化。數據獲取的過程中，三維激光掃描技術下，后續的邊坡測量可以直接利用這些數據和信息，從而使得深基坑監測更為高效。三維激光掃描技術下，邊緣光斑、覆蓋等基本上不會對正常的測量作業產生干擾，可以使得監測數據的精度更高。

2.2 在數據處理階段中應用

當在數據獲取階段使用三維激光掃描技術獲得了相應的數據以后，就需要在數據處理階段應用該技術，從而更為高效、全面地完成深基坑的測量工作。三維激光掃描技術比較特殊，這一技術在應用時，反射信號是關鍵的要素，通過反射信號，可以將三維坐標所獲得的海量數據轉換為特定類型和格式的數據。專業人員在對云點數據加以技術分析和處理以后，就可以獲得更高精度的數據，利用三維建模軟件，通過軟件的數據分析功能，就可以構建出一個更為完善的三維立體模型，在該模型中更為直觀地呈現深基坑的具體情況，在該模型中，就可以直接開展更為精確、高效的監測、處理和分析。

數據處理的過程中，重點是要對前期所獲得的三維作品開展更為有針對性的處理，具體的處理中，需借助于一定的數據工具來完成，通過工具的有效應用，可以使得數據監測更具動態性和精確度，使得在深基坑施工的過程中，可以利用這一技術來開展全過程監測。在連續性監測下，掃描技術的應用可以有效應對深基坑工程中的變形和沉降問題。

2.3 點云模型的變形分析

點云模型的變形分析中，重點是要通過2D 和3D 模型的構建，來開展更為全面、精準的分析，根據對模型中各個參數的有效分析，有關施工人員就可以獲得基坑中的變形情況，進而提前采取有效的方式來應對變形。

2.3.1 3D 模型分析

3D 模型分析時，Geomagic 軟件是關鍵的工具，這一軟件在應用時，可以使得相關人員在點云數據的處理和分析方面更為便捷，直接通過示圖顏色的區別和變化，來直觀呈現支護結構的變形量。與此同時，在利用此軟件進行3D 模型的變形分析時，可以獲得變形量的百分比數據表和模型分析表，通過兩個圖表的最終對比，就可以最終定位變形區域，并通過在模型中現場情況的充分分析，來找出變形原因，最終確定最為有效的變形控制策略。

2.3.2 2D 模型分析

2D 模型分析時，Geomagic 軟件下可以直接在變形量3D 圖中選取基坑變形位置的剖面圖，當這些信息完成以后，對于存在明顯變形的剖面，可以通過放大的方式來開展更為精確的測量，在此基礎上，也就可以獲得變形量的最大值、位置情況，由于基坑內側變形方向、程度的掌握，就可以使得變形分析更為精準。

2.4 注意事項及對策

在深基坑監測工程中應用三維激光掃描技術開展監測時，由于點云的精度會在很大程度上受到掃描距離的干擾，當距離過大時，數據偏差將同步增大。

因此，在掃描作業開展時，相關人員必須要全面做好現場情況的調查，結合掃描現場情況的掌握，來有效控制掃描距離，盡量使得掃描距離超過50m，通過掃描距離的科學確定，來提高掃描精度。在后視點和測站點坐標精度的獲取方面，需利用水準儀和全站儀設備來獲得，為保障測量結果的精確性，將測量結果與實際數據的偏差控制在合理的范圍內，一般要反復多次開展測量，將最終的平均值作為后視點和測站點的實際坐標。

3 結語

三維激光掃描技術的測量效率和精度非常高，在基坑變形監測方面的技術應用效果非常突出，在當前日漸增多的深基坑工程項目中，工程企業要加強對三維激光掃描技術的科學應用，遵循技術應用規范，提高掃描精度，為實際的深基坑監測施工提供現實的參考。