三維激光掃描技術在路堤沉降觀測中的應用

李海濱，唐國茜，趙桂娟，馬慶偉，王光輝

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.西安公路研究院，陜西 西安 710054；3.中北工程設計咨詢有限公司，陜西 西安 710068)

0 引 言

目前普遍應用路基沉降監測方法為離散的監測點進行觀測，這些有限的監測點只能離散的反映目標表面體的單點變形量，不能有效的反映監測區域的整體變形情況[1]。相比于傳統的沉降監測方法，三維激光掃描技術無需預先埋設監測設備，即可以非接觸的方式對監測目標進行快速的掃描，進而通過對獲取的三維點云數據處理分析來掌握監測區域的整體變形情況，不受目標表面復雜程度的影響，獲取信息更加豐富全面，同時實現了傳統的“點測量”方式向“面測量”、“形測量”方式的轉變，為科學研究和工程應用提供更全面、更準確的基礎數據[2-3]。

通過三維激光掃描所得到的點云數據中的每個三維信息可以直接反映所測目標的真實數據，分析處理的數據可以很好的反映測區的實際情況，該技術最大的優點就是速度快、精度高且逼近原型[4]。目前三維激光掃描技術已被廣泛應用于各個領域[5-7]，趙春江等通過3D數字化技術，解決了農林植物-環境中的高通量信息獲取、情景感知和信息融合等問題；孫學陽等將三維激光掃描技術應用在礦井三維立體模型的動態創建領域，實現了礦井工程圖紙由二維形態上升到三維形態的轉換；倪曙等將三維激光掃描技術應用在隧道變形監測中，得到隧道的變形量在-0.7～0.7 mm之間，與傳統變形監測結果基本一致。相比三維激光掃描技術在農林、礦井及隧道等領域的成功應用，三維激光掃描技術在路基沉降監測領域的應用研究還比較少。

在公路路堤拓寬的整體沉降觀測中引入三維激光掃描技術，通過對整體路基拓寬區掃描獲得的點云數據進行處理，分析其整體沉降信息，并與單點沉降監測進行對比，闡明并總結拓寬路基的沉降變化規律，為高等級公路路基拓寬工程中的整體沉降監測分析提供一種新技術。

1 三維激光掃描監測的工程應用

隨著交通量的不斷增長，石安高速公路的服務水平逐漸趨于飽和，因此需對石安高速公路進行雙向四車道到雙向八車道的擴建[8]，擴建過程中，除了傳統的沉降板等單點監測，引入三維激光掃描儀進行路堤整體沉降監測，選定采用樁板復合地基處治的新建路基段(K435+550～K435+600)和常規水泥攪拌樁處治路基段分別進行沉降觀測，具體的測點布置和觀測位置如圖1所示。

1.1 控制點布設

對監測區域路堤表面進行三維激光掃描，為了保證掃描完成后獲得的點云數據可以將整個測區完全覆蓋，本次監測根據現場條件建立A，B 2個測站，分別位于試驗區域的兩端，由于掃描儀在每個測站獲得的點云數據均在此測站的獨立坐標系內，而進行路堤整體沉降分析需將兩測站獲得的點云數據轉換到統一的坐標系下，因此需通過布置控制點為點云數據提供統一坐標系，布設的2個控制點K1，K2，如圖1所示。

圖1 三維整體掃描控制點Fig.1 3D overall scanning control point distribution

1.2 工作流程

采用三維激光掃描技術進行沉降監測，其掃描工作流程如圖2所示。

圖2中，進行三維激光掃描時，首先需對控制點進行掃描，把儀器架設到A測站，將球形標靶架設在控制點位，對其位進行自定義掃描；其次在A測站對測區進行360°掃描[9-11]。A測站掃描完成之后將儀器架設到B測站，步驟與A測站均相同。

在三維激光掃描時，激光穿透有水的目標表面會產生鏡面反射，因此禁止被掃描目標表面有水，同時盡量在空氣濕度比較低時進行掃描作業，因為空氣濕度較大時會導致激光產生折減，進而影響測量精度。

圖2 三維激光掃描工作流程Fig.2 3D laser scanning workflow

1.3 沉降觀測與分析

結合研究需要共進行四期的整體三維動態掃描，每一期掃描間隔1個月時間，掃描獲得的點云數據經拼接去噪等處理后匯總于圖3，不同的顏色代表不同的沉降值，通過辨析圖中顏色深淺可判斷該月對應區域的整體沉降量。

由于掃描范圍為整個試驗段，為避免大量點云數據可能出現的數據干擾、影響精度，增加計算成本等，數據分析只選取特征區域進行，因此著重分析試驗段中包含樁板結構和水泥攪拌樁處治路段的對稱區域的整體沉降。

對三維點云數據進行處理分析，發現在整個觀測期內，明顯的差異沉降現象出現在新老路堤交接處；而老路堤由于經過了長時間的固結，基本無沉降變化。

對于樁板復合地基路段，施工初期此處沉降量比水泥攪拌樁處治區域的沉降量大(圖3)；后期樁板復合地基的沉降量較無樁板結構處開始明顯減少(圖4～圖6)。主要是由于施工初期樁板結構下方土體未完全固結，到后期土體固結逐漸趨于穩定，樁板結構中水泥混凝土板能夠承擔該結構層上方土體的部分荷載，可明顯減小路基的整體沉降。

圖3 監測區域不同時期的沉降量Fig.3 Settlement of the target surface in different periods

相比板樁復合地基路段，常規水泥攪拌樁處理的地基路段區域沉降明顯，經過4個月的固結，該監測區域中極個別點的最大沉降量達到6 mm左右，將樁板結構和無樁板結構的整體沉降量進行對比可以發現，樁板復合地基能夠有效的控制路基的差異沉降，并且三維激光掃描技術可以顯著的從整體角度判別沉降的差異。

2 三維激光掃描技術適應性分析

為了對比分析三維激光掃描技術監測結果的可靠性，在石安高速公路鋪筑過程中，對新舊路基交接處、新建路堤的中心和路肩位置進行觀測，并與路面道釘和沉降板等傳統的單點沉降觀測結果進行對比，進一步說明三維激光掃描技術在公路改擴建工程中路堤整體沉降監測的適應性。

2.1 單點沉降觀測

在新建路堤和路面基層填筑過程中，通過埋設沉降板來觀測樁板復合地基和水泥攪拌樁處治路段的對稱區域的路基沉降。路堤和路面基層填筑完成后，通過埋設道釘來對路面的沉降情況進行持續觀測。雖然觀測點位布設越多則越能反映監測區域的沉降情況，但由于布設點位會破壞上面層的整體性，影響其服務功能，因此沉降觀測時僅選擇有代表性點位，圖4為具體點位布設情況。

圖4(a)為沉降板觀測點位布置情況，圖4(b)為路面道釘布置情況，對圖4中的6個點位每隔7天進行一次觀測，沉降趨勢如圖5和圖6所示。

從圖5(a)可以得出，由于樁板結構混凝土板自重較大，導致施工初期板樁處的沉降量明顯大于非板樁處治路段。板樁處治路段的最大沉降量為8.1 mm，而水泥攪拌樁處治路段的最大沉降量為7.1 mm。但板樁結構的整體效應逐漸在圖5(b)和圖5(c)的過程顯現，半剛性基層填筑過程中，板樁處和非板樁處的沉降差逐漸減小，忽略個別測點在施工過程中的觀測誤差，在中、下面層填筑過程中，板樁處的沉降量明顯小于非板樁處。沉降板現場監測的新舊路基沉降趨勢與三維激光整體掃描結果一致。

圖4 具體點位布置Fig.4 Layout of the observation points

圖5 路堤、基層和中下面層填筑過程路段沉降Fig.5 Settlement of the embankment，base and middle base layer pavement construction

從圖6可以得出，測點1，測點2和測點3在路面結構施工完成后，沉降趨勢基本一致，沉降均為隨著時間而逐漸增大。但是由于施工后期樁板結構的整體效應明顯顯現，因而樁板結構區域沉降明顯小于水泥攪拌樁處治路段，樁板結構區域最大沉降量為9.3 mm，而水泥攪拌樁處治路段最大沉降量為10.9 mm，兩者相差20.88%。經過4個月的固結，新路堤中心線(測點2)的沉降差最小，為1.0 mm。水泥攪拌樁處治的新路堤路肩處(測點3)沉降差最大，為1.6 mm。

圖6 上面層鋪筑過程中路段沉降趨勢Fig.6 Settlement of the upper layer pavement construction

2.2 點云數據分析

由于三維激光掃描儀獲取的是離散的點云數據[12-15]，對路基表面進行兩次獨立的掃描，所獲得的點云數據不可能完全對應，因此本節結合格網分析法和插值方法來確定每個格網交叉點的高程值，從而對測區的整體沉降信息進行分析[16-18]，其中格網密度選用1 000*1 000，插值方法采用三次多項式插值法，重點將第一期與其余三期的點云數據進行對比，插值結果表明各點的沉降分布服從正態分布，結果見表1。

表1 沉降量對比匯總

將第1期與第2期掃描結果進行對比，經統計有99.7%的點的沉降量位于-6～4 mm，其沉降量集中趨勢點(即絕大部分點的沉降量)在-3～-2 mm；將第1期與第3期掃描結果進行對比，有99.5%的點的沉降量位于-6～ 6 mm，其沉降量集中趨勢點出現在-3～-2 mm；將第一期與第四期進行對比，經統計有99.6%的點沉降量位于-6～5 mm，其沉降量集中趨勢點出現在-1～0 mm。

經過4個月的固結，監測區域的沉降量大都在1 mm左右，僅在路基不進行處置路段的小范圍區域的沉降量達到6 mm左右，整體沉降量與傳統的單點監測結果一致，并且三維激光掃描可以測得整個測區的沉降，確保了沉降監測的準確性。

2.3 精度驗證

對三維激光掃描監測的整體沉降點云數據進行詳細分析，并與單點沉降的觀測結果進行對比，檢驗三維激光掃描技術在路基整體沉降監測領域的適用性。

2.3.1 單點沉降觀測數據處理結果

通過對樁板結構區域與無樁板結構區域沉降趨勢的對比可以看出，三維激光掃描結果與沉降板現場監測結果一致，且三維激光掃描可以有效的判定整體的沉降，有效避免了單點監測對路基沉降說明的片面性，提高了路堤整體穩定性的判定準確度。

對路面道釘監測的沉降數據進行匯總分析，圖7反映了從第1期至第4期，測點1，測點2和測點3的累計沉降變化量。

圖7 路面道釘測點沉降Fig.7 Settlement of pavement spike measuring points

由現場監測結果可知，測點1，測點2，測點3的沉降差值分別為1.3，1.0,1.6 mm。

2.3.2 點云數據處理結果

為了確保沉降分析的準確性，將第1期與各期的沉降結果進行對比分析，進行格網分析時采用100*100和1 000*1 000這2種不同密度的格網[19]，對每一種格網都使用三種插值方法(線性插值、最鄰近差值和多項式差值)來獲取沉降對比分析的結果，最后通過計算測量結果的中誤差m[20]，評價文中采用的格網法處理數據的結果的精度。中誤差的計算采用式(1)。

(1)

式中i=1，2，3，…，n，其中n為插值總點數。

計算所得結果中誤差絕對值最大值為2.5 mm，而路基施工規定的沉降工作測量誤差為±3 mm[21-22]，因此三維掃描結果準確性符合要求。

表2將大多數插值點的沉降量進行了匯總。從第1期到第4期，整體沉降量分布區間為0～1 mm，與路面道釘的單點最大沉降1.6 mm具有較好的一致性，觀測結果準確性提高約38%，且三維掃描可獲取監測區域整體的沉降，再次說明三維激光掃描技術在路基拓寬中的適用性。

表2 插值點的沉降量匯總

3 結 論

1)加寬路堤的路肩、路提加寬中心和新回路堤結合處相比，新老路堤交接處的差異沉降現象最明顯，三維激光掃描技術可以整體反應路基改擴建過程中的“面”沉降，避免“點”沉降監測帶來的離散性。

2)三維激光掃描可以有效監測路基整體沉降，在樁板處治路段和非樁板處治路段，沉降監測的準確性分別提高41.6%和25.8%，不僅可以反應常用的單點監測結果，并且提高了監測結果的準確性。

3)經過4個月的持續觀測和對比分析，三維激光掃描測的整體沉降量較單點監測的沉降量準確性提高38%，且分析結果的誤差絕對值滿足精度要求，三維激光掃描技術可以應用到公路路基沉降監測領域。