基于三维激光扫描技术的陡坡填方梁场长期监测方法研究

张 军 高月波 付绍强

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

在预压期的软弱地基中，由于地基的不稳定性，在预制梁场布置的过程中极易产生不均匀的沉降，考虑到预制梁的自重大，极易造成预制梁的质量问题。规范中要求预制梁的挠度变形不允许超过2mm，因此必须对预制梁场进行长期的监测和控制以满足预制梁在施工过程中的质量要求。国内众多学者对其进行了一定程度的研究，其中河海大学的马飞分析了处于预压期软基路堤上的预制梁场的沉降规律[1]，王风波等分析了不同预制梁台座布设形式对软基差异沉降的影响[2]，黄松分析了不同龄期、不同差异沉降条件下，早龄期混凝土梁构件的应力应变的变化规律[3]。以上研究都从不同的方面分析了影响预制梁场沉降的因素和规律，但他们的研究仅仅是从理论上分析其变化的规律，并未对预制梁场进行长期的监测，因此本文提出一种新的方法，通过三维激光扫描技术分析不同时期预制梁场的沉降变化，分析不同阶段的点云数据实现梁场的变形监测，从而保证预制梁的施工质量。

2 梁场监测方法

2.1 监测方法概述

本文基于三维激光扫描技术提出一种新的梁场沉降监测方法，以采集到的梁场地面一期点云数据为基础，将自制的三棱锥作为永久固定的控制点标靶，进行不同期数据的高精度拼接，通过对比多期点云数据分析梁场在该段时期内的沉降量，及时对梁场进行支护防护，尤其是梁场台座部分变形，必须严格控制其变形，技术路线图如图1 所示。

图1 梁场长期监测技术路线

2.2 点云拼接

点云数据拼接的精度直接关系到沉降分析的结果是否准确，因此本文提出一种新的方法进行拼接。在空间内三个两两相交的面能够形成一个空间点，根据这个原理选取三棱锥作为标志物，通过拟合三棱锥的三个平面，相交成为一个控制点。在梁场附近不会产生沉降变形且视野开阔的位置浇筑至少三个永久固定的三棱锥，并且三棱锥所在位置不能相近或位于同一平面，每期数据的采集都需要将三棱锥包含在内，两期数据通过三棱锥的控制点进行拼接，图2为自制三棱锥。

图2 三棱锥标志物

为了达到高精度拼接效果，拟采用算法实现空间坐标点配准，拼接原理如图3 所示。相同点集在不同坐标系下坐标值是不同的。设第一期点集的坐标矩阵为A，第二期点集坐标矩阵为B。将B 转化到A 可认为是经历了绕X、Y、Z 坐标轴旋转和整体坐标系的平移。

图3 空间坐标拼接原理

设C 为将B 经过旋转和平移后得到的矩阵，则：

使误差函数最小求解θ、α、β 以及γ、λ、μ 可视为无约束最小的优化问题。采用Mtalab 的很容易求解到最后转换参数。

3 工程应用

3.1 工程概况

本文以宜宾至昭通高速公路彝良（海子）至昭通段为工程依托，宜宾至昭通高速公路彝良（海子）至昭通段，路线起于昭通市彝良县海子镇K144+910，止于昭通市昭阳区北闸镇K237+600，全长93Km。全线按双向四车道高速公路标准设计，设计时速80Km/h，路基宽度24.5m。其中梁场所处位置为陡坡填方地段，采用粉砂质泥岩、粉质粘土和卵石作为回填土质，地面铺设混凝土，图4 为梁场现场监测图。

3.2 梁场点云数据采集及处理

采集数据时要尽量保证梁场台座的数据密度均匀，由于梁场面积大，单站扫描并不能保证数据的完整，需要进行多站数据采集，各站之间通过靶标球拼接，三个靶标球的摆放不能位于同条直线上，并且两站之间的距离在10m 左右为宜，在适宜的温度下进行扫描，见图5。

图5 梁场三维点云数据

依据第2.2 节所述方法，将点云数据进行批量化的降噪处理，尤其是梁场台座部分，要保证该部分点云数据的原始几何形状和完整性。每站的点云数据降噪之后通过靶标球进行拼接，两期的点云数据通过三棱锥获取的公共特征点进行拼接，要保证其拼接精度。

3.3 梁场沉降分析方法

3.3.1 基于曲面的沉降分析

本文提出采取曲面拟合的方法，依据第一期梁场点云数据为基准数据，对后期梁场数据进行分析。由于点云是无序、离散的，两期点云数据不可能存在同一参考点。为此，采用曲面拟合算法对点云数据进行处理，分别得到两期点云的近似地表曲面。基于此，本文依据梁场第一期面点云数据，通过编制MATLAB 算法程序获得了梁地面曲面，见图6。

在回归分析中，测定值与按回归方程预测的值之差为残差，点云的标准化残差落在(-2，2)区间以外的概率≤0.05。若点云的标准化残差落在(-2，2)区间以外，可在95%置信度将其判为异常点，不参与回归直线拟合，由图6 曲面拟合的残差图中可以看出，该点云数据皆为可靠值，曲面拟合较为真实；在图7 中，通过对比第一期的理论地形曲面，结果可以发现地面沉降基本在2-3cm，但是该方法只能看出梁场的整体沉降，而无法分辨其沉降趋势。因此本文将通过线形分析该梁场的地表沉降。

图7 曲面偏差分析

3.3.2 地面沉降线形分析

在两期点云数据中分割出关心剖线处的点云带条。以划框算法分别计算两期点云带条的高程线。对两条高程线做差，即可得到梁场地面任意剖线的沉降曲线。划框算法的步骤如下：（1）将点云带条纵向分为n 段；（2）对每一段点云求平均值，得到中心点坐标；（3）将中心点连接构成梁场地表面线；（4）对两条地表线做差，得到沉降曲线。在该项目中，划框的尺寸纵向0.2 m×横向0.1 m。划框中所属第i(i=1,2,…,n)段点云数据的分割公式为：

按上述方法进行数据处理后，得到该梁场不同剖线的沉降曲线，如图8 所示。从图8 中可以看出整个梁场的整体沉降趋势，图中所有曲线均处于梁场填方范围。外侧曲线相对与内侧曲线沉降量更大。从沉降线形分布来看，整个梁场的整体呈将维持在2-3cm，与曲面分析基本吻合，表明通过曲面分析法进行整体分析是准确的。梁场外侧部分区域修建了挡土墙，以及填方厚度和压实度的不同，可能是引起剖线上不同部位沉降值不同的主要原因。因此，在陡坡上修建填方梁场时，需要注意控制填方土厚度和压实度均匀，并且挡土墙应在填方范围内连续修建，确保梁场沉降均匀，这可以大幅降低梁场沉降对预制梁线形的影响。

图8 梁场沉降变形曲线

4 结论

本文依托实际工程针对梁场沉降变形的长期监测提出了基于三维扫描的梁场监测新方法，研发了基于三棱锥的点云精确拼接方法，对宜昭高速项目的填方梁场进行了监测与应用，对梁场地面沉降进行了分析与评估，本文提出的方法不仅能够提高梁场监测的精度和效率，同时能够获取梁场的整体变形，对实际工程有着重要的指导意义。