三维激光扫描技术在深基坑监测的应用研究

田汉宇

（安徽省地矿局326 地质队，安徽 安庆 246000）

在深基坑施工时的施工监测对施工具有重要的参考价值，三维激光扫描技术作为新的技术，在实际的应用中，可以以格网扫描密集获取监测对象的相关数据，能够获得高精度、高密度的监测数据，使得实际的深基坑作业可以安全、高效开展。因此，在当前及未来的深基坑工程项目中，都需要积极加大三维激光扫描技术的应用。

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

图1 扫描点坐标计算原理

三维激光扫描技术应用时，需借助三维激光扫描仪来获得相应的数据，其整体构造中包含了高速精确的激光测距仪、反射棱镜，其中，反射棱镜的存在使得在激光扫描的过程中，能够引导激光并保障扫描角速度的均匀性。具体的扫描过程中，激光测距仪会主动发射激光，当其接收到自然物表面反射的信号以后，就可以自动完成测距，每一个扫描点都可以获得测站和扫描点的斜距，再加上扫描水平方向角和垂直方向角的存在，就可以更为精确地获得每一个扫描点与测站的空间相对坐标值[1]。如果在三维激光扫描技术的应用过程中，测站的空间作为已知量，就可以根据相应的测量，来获得每个扫描点的三维坐标值，最终求得三维点云数据，如图1 所示。

1.2 精度影响分析

三维激光扫描技术的应用过程中，由于扫描过程的特殊性，误差是不可避免的，从误差产生的来源来分析，激光扫描系统测量误差主要以系统误差和偶然误差，其中，前者会造成扫描点的坐标偏差，而后者主要是由随机误差所引起的[2]。三维激光扫描技术在具体的应用过程中，多方面的因素都会造成误差，比如，仪器系统、扫描目标、外界环境因素等。

仪器系统误差再进一步细分，包含了由轴系相互旋转所造成的测距误差和测角误差。扫描目标相关误差多体现在目标物体反射面与扫描激光光束交角过小、物体粗糙度方面。温度、气压和空气质量等是外界因素的主要表现，同样会在扫描时引起误差。

三维激光扫描技术应用的过程中，激光测距对扫描数据的影响将非常直接，激光测距信号在处理时所造成的误差可能会体现在技术应用的多个环节，尤其是在光学电子电路中，激光脉冲回波信号处理时，扫描仪脉冲计时的系统误差等都是重要的表现。

扫描角也会对测量精度产生一定的影响，具体表现在激光束水平扫描角度和竖直扫描角度的测量过程中。当在三维激光扫描技术应用时，扫描角度误差是由镜面平面角误差、扫描镜转动时的震动、扫描电机的非均匀转动控制等引起的[3]。当在三维激光扫描时，一旦扫描目标反射面与扫描光束的交角比较小，测距和定位都会被激光光斑所影响，最终将会使得扫描时的误差超出正常标准。此外，物体表面的粗糙程度在很大程度上是由激光扫描点云精度所造成的，为实现扫描精度控制，同样需要加强对物体表面粗糙度的控制。

温度、气压和空气质量等都属于外部因素，这些因素同样会对扫描精度产生一定的影响，在深基坑监测过程中，如果选用的是三维激光扫描技术，必须要加强对这些因素的考虑。当温度、气压等外界环境存在较大变化时，尤其是在温度变化时，将会给仪器造成一定的影响，风力也会给扫描仪器造成一定的微动。

2 三维激光扫描技术在基坑中的应用情况

2.1 在数据获取阶段进行应用

在深基坑监测过程中，从数据获取阶段开始，就需要利用三维激光扫描技术，该技术应用时，最为关键的是要在项目开展时，做好设站工作。数据获取时，需对各个站点坐标进行实时的定位，并根据最终的定位结果，来开展全面的分析和处理，获得更多的测量数据。在三维激光扫描技术应用时，为保障测量结果的精度，必须要在特定的扫描区域内，设置足够多数量的控制点。只有保障了控制点数量的科学性、位置的合理性，才可以在扫描技术应用时，利用GPS 和全站仪来实现全面的控制，对测量对象开展更为精确地测量，通过这一测量控制，使得之前所设定的云坐标可以有效转化。数据获取的过程中，三维激光扫描技术下，后续的边坡测量可以直接利用这些数据和信息，从而使得深基坑监测更为高效。三维激光扫描技术下，边缘光斑、覆盖等基本上不会对正常的测量作业产生干扰，可以使得监测数据的精度更高。

2.2 在数据处理阶段中应用

当在数据获取阶段使用三维激光扫描技术获得了相应的数据以后，就需要在数据处理阶段应用该技术，从而更为高效、全面地完成深基坑的测量工作。三维激光扫描技术比较特殊，这一技术在应用时，反射信号是关键的要素，通过反射信号，可以将三维坐标所获得的海量数据转换为特定类型和格式的数据。专业人员在对云点数据加以技术分析和处理以后，就可以获得更高精度的数据，利用三维建模软件，通过软件的数据分析功能，就可以构建出一个更为完善的三维立体模型，在该模型中更为直观地呈现深基坑的具体情况，在该模型中，就可以直接开展更为精确、高效的监测、处理和分析。

数据处理的过程中，重点是要对前期所获得的三维作品开展更为有针对性的处理，具体的处理中，需借助于一定的数据工具来完成，通过工具的有效应用，可以使得数据监测更具动态性和精确度，使得在深基坑施工的过程中，可以利用这一技术来开展全过程监测。在连续性监测下，扫描技术的应用可以有效应对深基坑工程中的变形和沉降问题。

2.3 点云模型的变形分析

点云模型的变形分析中，重点是要通过2D 和3D 模型的构建，来开展更为全面、精准的分析，根据对模型中各个参数的有效分析，有关施工人员就可以获得基坑中的变形情况，进而提前采取有效的方式来应对变形。

2.3.1 3D 模型分析

3D 模型分析时，Geomagic 软件是关键的工具，这一软件在应用时，可以使得相关人员在点云数据的处理和分析方面更为便捷，直接通过示图颜色的区别和变化，来直观呈现支护结构的变形量。与此同时，在利用此软件进行3D 模型的变形分析时，可以获得变形量的百分比数据表和模型分析表，通过两个图表的最终对比，就可以最终定位变形区域，并通过在模型中现场情况的充分分析，来找出变形原因，最终确定最为有效的变形控制策略。

2.3.2 2D 模型分析

2D 模型分析时，Geomagic 软件下可以直接在变形量3D 图中选取基坑变形位置的剖面图，当这些信息完成以后，对于存在明显变形的剖面，可以通过放大的方式来开展更为精确的测量，在此基础上，也就可以获得变形量的最大值、位置情况，由于基坑内侧变形方向、程度的掌握，就可以使得变形分析更为精准。

2.4 注意事项及对策

在深基坑监测工程中应用三维激光扫描技术开展监测时，由于点云的精度会在很大程度上受到扫描距离的干扰，当距离过大时，数据偏差将同步增大。

因此，在扫描作业开展时，相关人员必须要全面做好现场情况的调查，结合扫描现场情况的掌握，来有效控制扫描距离，尽量使得扫描距离超过50m，通过扫描距离的科学确定，来提高扫描精度。在后视点和测站点坐标精度的获取方面，需利用水准仪和全站仪设备来获得，为保障测量结果的精确性，将测量结果与实际数据的偏差控制在合理的范围内，一般要反复多次开展测量，将最终的平均值作为后视点和测站点的实际坐标。

3 结语

三维激光扫描技术的测量效率和精度非常高，在基坑变形监测方面的技术应用效果非常突出，在当前日渐增多的深基坑工程项目中，工程企业要加强对三维激光扫描技术的科学应用，遵循技术应用规范，提高扫描精度，为实际的深基坑监测施工提供现实的参考。