三维激光扫描在基坑监测中的应用现状与展望

蒋毅 梁伟桥 王罡 耿培 曹文昭 杨俊毅 陶宇

摘 要：基坑变形监测是基坑工程安全施工的重要保障。三维激光掃描技术作为近年来新兴的一种测绘技术，具有非常显著的优势。本文简要介绍了三维激光扫描技术，综述该技术在基坑监测中的应用现状及误差因素，详细阐述了该技术在基坑监测中的应用展望，希望为三维激光扫描技术在基坑监测中的应用提供有用的参考价值。

关键词：三维激光扫描 基坑工程 变形监测 点云数据处理

中图分类号：TB22  文献标识码：A    文章编号：1003-9082（2019）06-0-03

一、概述

随着城市化进程的不断推进，我国城市建设规模也在不断加大，城市群的概念也已家喻户晓。目前，城市建设中的基坑工程呈现出“深、大”特点，基坑安全风险越来越高，保证基坑施工的安全具有重要的意义。大多数基坑事故是由变形失稳造成的，比如基坑垮塌、坑底拱起等。因此，基坑的变形监测非常重要，是保证基坑安全施工的重要手段。

目前基坑变形监测的主要仪器是全站仪、水准仪等仪器，这些传统的监测设备属于单点测量，效率低、劳动强度高。三维激光扫描作为一种新兴技术，能够以格网扫描方式密集获取目标对象的数据点，具有高精度、高密度、非接触式、免棱镜测量以及测量精度均匀等优点，实现从单点测量到面测量的革命性技术突破^[1-3]。因此，将三维激光扫描技术应用于基坑监测，具有非常显著的优势。本文将综述三维激光扫描技术在基坑监测中的应用现状，分析影响监测精度的因素，展望该技术在基坑监测中的应用前景。

二、三维激光扫描简介

1.原理

三维激光扫描按照测量方式可分为脉冲式、相位差和三角测距^[4-7]。该技术基于激光测距原理，通过测量物体表面的三维坐标、反射率、纹理等信息，能够快速构建出目标物体的三维数字模型。

目前，市面上主流的三维激光扫描仪器均采用基于脉冲式的测距原理。脉冲式测距又称为时间飞行（TOF，Time of Flight）测距法，其测量过程为：仪器内置的激光脉冲二极管发射出高精度激光脉冲，经由旋转棱镜使其射向目标物并反射回来，然后由仪器内置的激光脉冲接收器采集被反射回来的激光脉冲信号。最后，依据激光脉冲从发射到返回的时间差来计算仪器到目标物的距离，测距公式为：

在获取距离的同时，三维激光扫描仪器内置的精密时钟控制编码器能够同步获取单个激光脉冲的水平与垂直方向角度。基于距离与水平、垂直方向角度，便可以计算出目标点的三维坐标，具体原理为：扫描仪一般采用相对坐标系，扫描仪的激光脉冲发射中心为坐标原点，x、y轴在相对坐标系的水平面上，z轴为竖直方向（图1），利用斜距s、水平方向角度α和竖直方向角度θ即可计算出目标点的三维坐标（x， y， z），计算公式为：

2.三维激光扫描流程

一个完整的三维激光扫描流程主要包括：点云数据采集、数据处理（去澡、滤波、拼接）、三维模型构建、模型输出^[8]。点云数据处理是最为关键的步骤，决定了三维模型构建的质量。

3.应用领域

三维激光扫描技术的主要应用领域包括以下几个方面^[9-16]：

a.工程测量领域：地形图测量、路面测量、土木工程测量、变形监测等。

b.医学领域：医学领域应用的三维激光扫描仪具有测程短和精度高的特点，可以用于整形手术和人体矫正等。

c.建筑及文物保护领域：通过非接触式测量，三维激光扫描能够建立被保护对象的三维模型并存档，未来需要进行修护时，这些高精度的三维模型将具有很好的参考价值。

d.逆向工程：对目标实体或模型进行三维测量，逆向重构三维数字模型，再依据三维模型来指导实体的建造，可用于汽车发动机、轮船、飞机核心零部件的逆向工程制造。

e.应急服务：作为非接触式测量技术，三维激光扫描不用破坏事故现场便可快速获取现场的三维信息，并可以当作重要证据，为事故鉴定与分析提供客观详细的资料。

f.复杂工业设备测量与建模：三维激光扫描能够扫描工业厂房内的复杂设备与管线，为厂房的内部规划和设备的设计制造提供直观的参考资料。

三、三维激光扫描在基坑监测中的应用现状

1.文献信息统计分析

通过中英文文献检索发现，将三维激光扫描应用于基坑变形监测中的文献并不多，而且几乎只在中文文献中见到相关报道^[17-18]，并且这些文献的质量也较为一般。截止2018年10月，共检索到15篇将三维激光扫描应用于基坑监测中的文章，其中英文1篇，中文14篇，仅有的1篇英文论文属于会议论文，作者来自于同济大学的中国学者。这15篇文章中只有一篇被EI收录，其它均属于中文核心或者非核心论文。

对这15篇文章深入挖掘发现：第一单位为研究院的文章最多，共有6篇，其中有4篇来自于福建省建筑科学研究院（简称：福建建科院），这表明福建建科院在该领域处于国内领先地位，并且唯一的一篇EI论文也出自于该单位。只有4篇文章来自于高校，而且分别来自于四所不同的高校，这表明高校在该领域的发展优势并不明显。剩下5篇则来自于设计院、市政建设公司、检测公司等，都属于企业（表1）。

综合以上信息表明：

（1）三维激光扫描在基坑监测中的应用仍然较少，处于探索发展阶段，还未进入成熟应用阶段。目前基坑变形监测仍然采用的是常规监测手段。

（2）由于我国正处于大规模建设阶段，因此工程实践非常丰富，国内在该领域的探索应用走在国际前列。

（3）在该领域的探索中，以企业为主导，其中以研究院型的企业为主导，其次为设计院，高校的参与度较低。这可能是因为进行该项研究需要一次性投入较高的成本购置昂贵的三维激光扫描设备，而且还需要有实际的基坑工程作为依托工程，这两点对于高校而言，难以同时具备。而企业在这两方面则具有显著的优势。

2.应用案例

目前，基坑变形监测中常用的三維激光扫描仪是基于激光脉冲测距原理进行测绘，其成套设备由扫描系统、激光测距系统和支架系统构成。根据不同的应用场景，也可以集成内部矫正系统、CCD数字摄影系统等，使三维激光扫描成套设备可以满足基坑变形监测的多种需求。当前市场推出的三维激光扫描仪器型号种类众多，各种仪器的价格、参数差异较大。目前在国内已经用于基坑监测的三维激光扫描仪器主要为两家公司生产，一种是德国徕卡公司（Leica）生产的Scanstation系列的激光扫描仪器（图2），另一种是法国法如公司（Faro）生产的Focus系列的激光扫描仪器（图3）。此外，还有其品牌的仪器，包括国产仪器。

陈致富等^[1]利用徕卡Scanstation C10激光扫描仪对基坑施工现场围护墙墙体的变形进行了监测。根据基坑的形状进行扫描站点布设及扫描密度的确定，最后选择在基坑中央采用标靶拼接以及10 cm @100 m的中等密度扫描，从而在保证测量精度的前提下尽可能地减少外业工作量和扫描时间。现场具体操作方式为：利用HDS 3英寸标靶在基坑现场布置若干个监测点，然后用全站仪测量这些监控点的坐标，之后采用三维激光扫描仪对这些监测点以及基坑围护墙面进行扫描，一次扫描后间隔一段时间进行重复扫描，获得两次基坑围护墙面的点云数据。通过该仪器配套的数据处理软件cyclone以及第三方软件Geomagic对获取的点云数据进行处理分析。将两次数据差值对比，就能得到围护墙体墙面的变形数据。该项研究结果表明：三维激光扫描技术获得的点云数据量大，墙面变形大小直观简洁，然而变形监测误差比较大，最高误差可达厘米级，仅能够反映围护墙体的变形趋势。作者分析认为可能是扫描仪器自身及扫描过程中的误差过大所致。此外，工地的振动对三维扫描仪获取的数据精度也有一定影响;在扫描的过程中，目标物的遮挡问题在基坑中也比较突出。

葛纪坤等^[2]也使用徕卡Scanstation C10型扫描仪获取基坑围护墙体的点云数据，通过Geomagic软件对点云数据进行处理、三维建模，并进行围护墙体的变形分析，得到基坑围护墙体的3D整体变形和2D局部变形。具体应用过程如下：

采用的成套设备为徕卡Scanstation C10三维激光扫描仪、配套的HDS 3英寸靶标以及配套的处理软件cyclone和第三方软件Geomagic。与上述陈致富的扫描流程一样，首先在基坑中的关键部位安装3个徕卡HDS 3英寸公共标靶。利用徕卡TCA2003全站仪确定测站点与标靶的三维坐标。然后三维激光扫描仪以中等扫描密度（10 cm @100 m）分三站对这些标靶和围护墙体进行扫描。扫描完成后，利用cyclone软件对点云数据进行去澡、滤波、拼接处理，拼接精度最高可达1 mm，之后三维建模得到基坑内部支护结构的可视化三维模型图（图4）。最后，采用第三方软件Geomagic对两期点云数据进行差值处理，通过颜色直观、简洁地显示出支护结构的变形量。

3.三维激光扫描在基坑监测中的误差分析

影响三维激光扫描精度的因素较多，针对基坑变形监测而言，主要可分为外业误差与内业误差。外业误差有：仪器自身系统误差、多路径产生的误差、目标物反射面产生的误差、外界环境引起的误差。内业误差有：拼接误差、不同期次的点云配准误差等^[8]。例如前面提到的徕卡Scanstation C10三维激光扫描仪，其单点定位精度6 mm/50 m、测距精度4 mm、标靶中心点扫描精度1.5 mm。在现场扫描作业中还包括测站点与后视点的定位误差、对中误差、扫描误差以及拼接误差等，其中测站点的定位误差5 mm、对中误差5 mm、拼接误差为1 mm。综合上述所有误差，三维激光扫描仪器可达到的总体精度仅为18.5 mm。

四、三维激光扫描在基坑监测中的应用展望

由于三维激光扫描技术在基坑监测中的应用距离成熟还有一段距离，因此本节将从以下三方面分别阐述该技术在基坑监测中的应用展望。

1.监测方案

三维激光扫描技术应用于基坑变形监测中可以采用多种站点布设方案，比如异地控制法和TSP法。异地控制法是指控制点选设在距离基坑3倍开挖深度以外的稳定区域，设置3个以上的控制点，并且控制点之间不能出现 3点共线与4点共面现象。TSP法是将基坑坑外全站仪水平位移监测的基准点作为控制点，然后用高精度全站仪进行控制点的三维坐标传递：将一个控制点作为架站点，另一点作为后视定向点，建立工地现场的相对坐标系。因此在将来的应用研究中，应沿着这两种监测方案详细开展。此外，除了这两种常见的架站方案之外，还存在其他的方案，也是可以开展研究的重点方向。

2.数据获取

针对不同的监测方案，其数据获取方式也有些许差异。这些差异主要集中在标靶的安置，标靶类型以及具体的扫描方式。同时扫描距离、扫描区域的重叠范围、仪器安置点的定位精度，是定位误差、对中误差、扫描误差以及拼接误差的直接来源。因此，这些具体的操作方式将需要通过大量的现场试验来测试，从而找出每一项误差的主控因素，并研究出最优化的误差消除方法。

3.点云数据处理

对于基坑监测所产生的原始数据，统称为点云数据，其特征是数据量非常大，处理难度较高，需要用专门的三维数据处理软件进行预处理，比如徕卡Scanstation仪器配套的Cyclone和著名的第三方处理软件Geomagic。主要的处理内容包括：数据去噪、滤波、拼接等。这些处理过程对于监测数据的精度有显著影响，由于每种仪器的架构不同，采集的数据格式也有所差异，这就导致数据处理方式也不相同。因此为了提高三维激光扫描在基坑变形监测中的精度，需要着重进行误差分析，从而对数据处理的算法进行改进，以提高监测精度。

4.小结

将两种甚至多种三维激光扫描监測方案下的变形监测结果进行对比，比选出最适用、精度最高的监测方案。然后将这种方案应用于多个基坑的变形监测，以测试其效果。如果使用效果良好，可以将具体的仪器布设方式、操作方式以及点云数据处理过程形成规范并在全国推广应用。将整套监测方案与流程形成专利，并将改进的算法形成具有知识产权的软件著作权，开发出相应的商业软件，推动该项技术成熟应用于基坑变形监测中。

五、结语

三维激光扫描是一项应用性很强的技术，其测量精度非常高，但应用于基坑变形监测时由于所受的影响因素较多，导致其监测精度受到显著影响。因此，要克服众多困难，实现该技术的成熟应用，需要进行大量的实际基坑工程监测，通过不断的实践，发现问题、解决问题，从而提高该技术的应用成熟度，并推而广之。

从当前的应用现状来看，受限于三维激光扫描仪在基坑变形监测中的精度不够高，还无法全面替代传统的测量手段，但是可以和传统的测量方法共同作业，优势互补。三维激光扫描作为一种新兴的测量技术，其精度评定与误差理论仍在继续完善，然而即便如此，我们依然相信三维激光扫描应用于基坑变形监测领域必将是未来发展的趋势。

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作者简介：蒋毅，男，1987年出生，博士，研究方向为岩土工程施工与监测。