三维激光扫描技术在路堤沉降观测中的应用

李海滨，唐国茜，赵桂娟，马庆伟，王光辉

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.西安公路研究院，陕西 西安 710054；3.中北工程设计咨询有限公司，陕西 西安 710068)

0 引 言

目前普遍应用路基沉降监测方法为离散的监测点进行观测，这些有限的监测点只能离散的反映目标表面体的单点变形量，不能有效的反映监测区域的整体变形情况[1]。相比于传统的沉降监测方法，三维激光扫描技术无需预先埋设监测设备，即可以非接触的方式对监测目标进行快速的扫描，进而通过对获取的三维点云数据处理分析来掌握监测区域的整体变形情况，不受目标表面复杂程度的影响，获取信息更加丰富全面，同时实现了传统的“点测量”方式向“面测量”、“形测量”方式的转变，为科学研究和工程应用提供更全面、更准确的基础数据[2-3]。

通过三维激光扫描所得到的点云数据中的每个三维信息可以直接反映所测目标的真实数据，分析处理的数据可以很好的反映测区的实际情况，该技术最大的优点就是速度快、精度高且逼近原型[4]。目前三维激光扫描技术已被广泛应用于各个领域[5-7]，赵春江等通过3D数字化技术，解决了农林植物-环境中的高通量信息获取、情景感知和信息融合等问题；孙学阳等将三维激光扫描技术应用在矿井三维立体模型的动态创建领域，实现了矿井工程图纸由二维形态上升到三维形态的转换；倪曙等将三维激光扫描技术应用在隧道变形监测中，得到隧道的变形量在-0.7～0.7 mm之间，与传统变形监测结果基本一致。相比三维激光扫描技术在农林、矿井及隧道等领域的成功应用，三维激光扫描技术在路基沉降监测领域的应用研究还比较少。

在公路路堤拓宽的整体沉降观测中引入三维激光扫描技术，通过对整体路基拓宽区扫描获得的点云数据进行处理，分析其整体沉降信息，并与单点沉降监测进行对比，阐明并总结拓宽路基的沉降变化规律，为高等级公路路基拓宽工程中的整体沉降监测分析提供一种新技术。

1 三维激光扫描监测的工程应用

随着交通量的不断增长，石安高速公路的服务水平逐渐趋于饱和，因此需对石安高速公路进行双向四车道到双向八车道的扩建[8]，扩建过程中，除了传统的沉降板等单点监测，引入三维激光扫描仪进行路堤整体沉降监测，选定采用桩板复合地基处治的新建路基段(K435+550～K435+600)和常规水泥搅拌桩处治路基段分别进行沉降观测，具体的测点布置和观测位置如图1所示。

1.1 控制点布设

对监测区域路堤表面进行三维激光扫描，为了保证扫描完成后获得的点云数据可以将整个测区完全覆盖，本次监测根据现场条件建立A，B 2个测站，分别位于试验区域的两端，由于扫描仪在每个测站获得的点云数据均在此测站的独立坐标系内，而进行路堤整体沉降分析需将两测站获得的点云数据转换到统一的坐标系下，因此需通过布置控制点为点云数据提供统一坐标系，布设的2个控制点K1，K2，如图1所示。

图1 三维整体扫描控制点Fig.1 3D overall scanning control point distribution

1.2 工作流程

采用三维激光扫描技术进行沉降监测，其扫描工作流程如图2所示。

图2中，进行三维激光扫描时，首先需对控制点进行扫描，把仪器架设到A测站，将球形标靶架设在控制点位，对其位进行自定义扫描；其次在A测站对测区进行360°扫描[9-11]。A测站扫描完成之后将仪器架设到B测站，步骤与A测站均相同。

在三维激光扫描时，激光穿透有水的目标表面会产生镜面反射，因此禁止被扫描目标表面有水，同时尽量在空气湿度比较低时进行扫描作业，因为空气湿度较大时会导致激光产生折减，进而影响测量精度。

图2 三维激光扫描工作流程Fig.2 3D laser scanning workflow

1.3 沉降观测与分析

结合研究需要共进行四期的整体三维动态扫描，每一期扫描间隔1个月时间，扫描获得的点云数据经拼接去噪等处理后汇总于图3，不同的颜色代表不同的沉降值，通过辨析图中颜色深浅可判断该月对应区域的整体沉降量。

由于扫描范围为整个试验段，为避免大量点云数据可能出现的数据干扰、影响精度，增加计算成本等，数据分析只选取特征区域进行，因此着重分析试验段中包含桩板结构和水泥搅拌桩处治路段的对称区域的整体沉降。

对三维点云数据进行处理分析，发现在整个观测期内，明显的差异沉降现象出现在新老路堤交接处；而老路堤由于经过了长时间的固结，基本无沉降变化。

对于桩板复合地基路段，施工初期此处沉降量比水泥搅拌桩处治区域的沉降量大(图3)；后期桩板复合地基的沉降量较无桩板结构处开始明显减少(图4～图6)。主要是由于施工初期桩板结构下方土体未完全固结，到后期土体固结逐渐趋于稳定，桩板结构中水泥混凝土板能够承担该结构层上方土体的部分荷载，可明显减小路基的整体沉降。

图3 监测区域不同时期的沉降量Fig.3 Settlement of the target surface in different periods

相比板桩复合地基路段，常规水泥搅拌桩处理的地基路段区域沉降明显，经过4个月的固结，该监测区域中极个别点的最大沉降量达到6 mm左右，将桩板结构和无桩板结构的整体沉降量进行对比可以发现，桩板复合地基能够有效的控制路基的差异沉降，并且三维激光扫描技术可以显著的从整体角度判别沉降的差异。

2 三维激光扫描技术适应性分析

为了对比分析三维激光扫描技术监测结果的可靠性，在石安高速公路铺筑过程中，对新旧路基交接处、新建路堤的中心和路肩位置进行观测，并与路面道钉和沉降板等传统的单点沉降观测结果进行对比，进一步说明三维激光扫描技术在公路改扩建工程中路堤整体沉降监测的适应性。

2.1 单点沉降观测

在新建路堤和路面基层填筑过程中，通过埋设沉降板来观测桩板复合地基和水泥搅拌桩处治路段的对称区域的路基沉降。路堤和路面基层填筑完成后，通过埋设道钉来对路面的沉降情况进行持续观测。虽然观测点位布设越多则越能反映监测区域的沉降情况，但由于布设点位会破坏上面层的整体性，影响其服务功能，因此沉降观测时仅选择有代表性点位，图4为具体点位布设情况。

图4(a)为沉降板观测点位布置情况，图4(b)为路面道钉布置情况，对图4中的6个点位每隔7天进行一次观测，沉降趋势如图5和图6所示。

从图5(a)可以得出，由于桩板结构混凝土板自重较大，导致施工初期板桩处的沉降量明显大于非板桩处治路段。板桩处治路段的最大沉降量为8.1 mm，而水泥搅拌桩处治路段的最大沉降量为7.1 mm。但板桩结构的整体效应逐渐在图5(b)和图5(c)的过程显现，半刚性基层填筑过程中，板桩处和非板桩处的沉降差逐渐减小，忽略个别测点在施工过程中的观测误差，在中、下面层填筑过程中，板桩处的沉降量明显小于非板桩处。沉降板现场监测的新旧路基沉降趋势与三维激光整体扫描结果一致。

图4 具体点位布置Fig.4 Layout of the observation points

图5 路堤、基层和中下面层填筑过程路段沉降Fig.5 Settlement of the embankment，base and middle base layer pavement construction

从图6可以得出，测点1，测点2和测点3在路面结构施工完成后，沉降趋势基本一致，沉降均为随着时间而逐渐增大。但是由于施工后期桩板结构的整体效应明显显现，因而桩板结构区域沉降明显小于水泥搅拌桩处治路段，桩板结构区域最大沉降量为9.3 mm，而水泥搅拌桩处治路段最大沉降量为10.9 mm，两者相差20.88%。经过4个月的固结，新路堤中心线(测点2)的沉降差最小，为1.0 mm。水泥搅拌桩处治的新路堤路肩处(测点3)沉降差最大，为1.6 mm。

图6 上面层铺筑过程中路段沉降趋势Fig.6 Settlement of the upper layer pavement construction

2.2 点云数据分析

由于三维激光扫描仪获取的是离散的点云数据[12-15]，对路基表面进行两次独立的扫描，所获得的点云数据不可能完全对应，因此本节结合格网分析法和插值方法来确定每个格网交叉点的高程值，从而对测区的整体沉降信息进行分析[16-18]，其中格网密度选用1 000*1 000，插值方法采用三次多项式插值法，重点将第一期与其余三期的点云数据进行对比，插值结果表明各点的沉降分布服从正态分布，结果见表1。

表1 沉降量对比汇总

将第1期与第2期扫描结果进行对比，经统计有99.7%的点的沉降量位于-6～4 mm，其沉降量集中趋势点(即绝大部分点的沉降量)在-3～-2 mm；将第1期与第3期扫描结果进行对比，有99.5%的点的沉降量位于-6～ 6 mm，其沉降量集中趋势点出现在-3～-2 mm；将第一期与第四期进行对比，经统计有99.6%的点沉降量位于-6～5 mm，其沉降量集中趋势点出现在-1～0 mm。

经过4个月的固结，监测区域的沉降量大都在1 mm左右，仅在路基不进行处置路段的小范围区域的沉降量达到6 mm左右，整体沉降量与传统的单点监测结果一致，并且三维激光扫描可以测得整个测区的沉降，确保了沉降监测的准确性。

2.3 精度验证

对三维激光扫描监测的整体沉降点云数据进行详细分析，并与单点沉降的观测结果进行对比，检验三维激光扫描技术在路基整体沉降监测领域的适用性。

2.3.1 单点沉降观测数据处理结果

通过对桩板结构区域与无桩板结构区域沉降趋势的对比可以看出，三维激光扫描结果与沉降板现场监测结果一致，且三维激光扫描可以有效的判定整体的沉降，有效避免了单点监测对路基沉降说明的片面性，提高了路堤整体稳定性的判定准确度。

对路面道钉监测的沉降数据进行汇总分析，图7反映了从第1期至第4期，测点1，测点2和测点3的累计沉降变化量。

图7 路面道钉测点沉降Fig.7 Settlement of pavement spike measuring points

由现场监测结果可知，测点1，测点2，测点3的沉降差值分别为1.3，1.0,1.6 mm。

2.3.2 点云数据处理结果

为了确保沉降分析的准确性，将第1期与各期的沉降结果进行对比分析，进行格网分析时采用100*100和1 000*1 000这2种不同密度的格网[19]，对每一种格网都使用三种插值方法(线性插值、最邻近差值和多项式差值)来获取沉降对比分析的结果，最后通过计算测量结果的中误差m[20]，评价文中采用的格网法处理数据的结果的精度。中误差的计算采用式(1)。

(1)

式中i=1，2，3，…，n，其中n为插值总点数。

计算所得结果中误差绝对值最大值为2.5 mm，而路基施工规定的沉降工作测量误差为±3 mm[21-22]，因此三维扫描结果准确性符合要求。

表2将大多数插值点的沉降量进行了汇总。从第1期到第4期，整体沉降量分布区间为0～1 mm，与路面道钉的单点最大沉降1.6 mm具有较好的一致性，观测结果准确性提高约38%，且三维扫描可获取监测区域整体的沉降，再次说明三维激光扫描技术在路基拓宽中的适用性。

表2 插值点的沉降量汇总

3 结 论

1)加宽路堤的路肩、路提加宽中心和新回路堤结合处相比，新老路堤交接处的差异沉降现象最明显，三维激光扫描技术可以整体反应路基改扩建过程中的“面”沉降，避免“点”沉降监测带来的离散性。

2)三维激光扫描可以有效监测路基整体沉降，在桩板处治路段和非桩板处治路段，沉降监测的准确性分别提高41.6%和25.8%，不仅可以反应常用的单点监测结果，并且提高了监测结果的准确性。

3)经过4个月的持续观测和对比分析，三维激光扫描测的整体沉降量较单点监测的沉降量准确性提高38%，且分析结果的误差绝对值满足精度要求，三维激光扫描技术可以应用到公路路基沉降监测领域。