CN104794331A - 深基坑健康监测管理系统及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深基坑健康监测管理系统及其管理方法，深基坑健康监测管理系统，其包括：三维激光扫描系统，包括三维激光扫描仪、数码相机、定位装置、电源及附属设备，用于获取建筑关键部位施工及历史健康监测信息，并传输数据给数据处理端；数据处理端，装载有小型数据库、BIM系统、AR系统；系统展示端包括健康监测系统和显示设备，进行实时交互分析，实现深基坑健康监测。本发明针对深基坑深、大和复杂的特点，利用BIM和三维激光测量技术，实现对深基坑的实时监测。

Description

深基坑健康监测管理系统及其管理方法

技术领域

本发明涉及一种管理系统及其管理方法，特别涉及一种深基坑健康监测管理系统及其管理方法。

背景技术

《规范》强制性条文规定“开挖深度大于等于5米或深度小于5米但现场地质情况和周围环境复杂的基坑工程及其它需要监测的基坑工程应实施监测”。传统的基坑健康监测以报表配合二维曲线、图形的方式显示变形趋势，发现问题后反馈并采取必要的补救措施，保证基坑的健康运行。这种方法的缺点是耗时耗力，不利于基坑变形的快速判断；靠人工阅读，易发生疏漏情况；无法直观查看整体基坑的变形趋势，迅速排除危险源，不利于深基坑的健康监测。通常深基坑的监测主要是对基坑维护结构与周边环境的健康监测，因此如何真实而准确地记录深基坑现场工况，实时自动监测基坑支护及周边环境的变形，并及时反映给工程技术人员，当变形超过控制值技术人员可以快速准确地采取控制措施，同时跟踪基坑后续状况，这是一个值得探讨的问题。

 BIM（Building Information Model）是建筑信息模型的简称， 1975 年， Chuck Eastman 提出 BIM 理念的源头“Building Description System”（建筑描述系统）。该系统的概念是 BIM 的概念的起源，提出了三维建筑模型、基于网络协作平台的自动更新视图、工程量自动计算和基于数据库的进度计划编排等 BIM 的关键词，目前BIM主要应用在在结构与管道碰撞检测、工程造价控制及施工模拟。三维激光扫描技术是一种新兴的现代化信息获取手段，原理是通过高速驱动及配准技术，向被测物体以每秒高达万次的高频发射激光束，获取反射信号并成像的一种技术。三维激光扫描能在测量中采集各物体表面点云数据，且速度快、精度高，生成的点云数据经处理可转换为BIM模型数据，常用于建筑物测量维护与仿真、位移控制与外观结构三维建模、地形测量等。AR（增强现实）技术借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，呈现效果真实的新环境，具有虚实结合、实时交互和三维注册的特点。AR技术能突出对真实环境的增强效果，在医疗研究、解剖训练、精密仪器制造、装配与维修和工程设计等领域有广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深基坑健康监测管理系统及其管理方法，其针对深基坑深、大和复杂的特点，利用BIM和三维激光测量技术，实现对深基坑的实时监测，并通过AR实现将其可视化和直观化，借助AR技术的实时交互进行深基坑的健康监测。

本发明提供一种深基坑健康监测管理系统，其特征在于，其包括：

三维激光扫描系统，包括三维激光扫描仪、数码相机、定位装置、电源及附属设备，用于获取建筑关键部位施工及历史健康监测信息，并传输数据给数据处理端；

数据处理端，装载有小型数据库、BIM系统、AR系统，其中AR系统包括虚实融合、实时交互和三维注册模块；数据处理端与三维激光扫描系统相连，通过数据处理端的小型数据库对三维激光扫描系统中的采样数据进行滤波处理，选取有用的数据，得到深基坑现场数据模型；利用BIM系统对地勘报告和图纸进行建模，得到深基坑的虚拟三维模型，最后通过AR系统对真实和虚拟数据进行合成，完成深基坑数据的AR实现；

系统展示端包括健康监测系统和显示设备，系统展示端与数据处理端相连，用于根据AR系统的数据进行分析对比，发现临界区域与危险点，监测到真实值超过虚拟值时，根据显示设备中深基坑的现场位置及时采取补救措施，同时返回三维激光扫描系统，进行实时交互分析，实现深基坑健康监测。

本发明还提供一种深基坑健康监测管理系统的管理方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，以地勘报告为初始数据，将深基坑的二维地勘资料转换为三维地勘模型，并建立基坑结构的三维模型，完成BIM模型的建立；

步骤二，在完工基坑区域进行点云数据采集，首先进行现场踏勘，并布设合适控制点和建立控制网，进行设站扫描及标靶提取；

步骤三，对深基坑已完工的小区域，确定扫描区域并检查通视条件，对深基坑建立能确保相互控制点均通视的控制网且其能覆盖扫描区域，选择合适的分辨率进行标靶精度扫描，采集点云数据；

步骤四，对点云数据进行滤波处理，并建立三维模型；

步骤五，在数据库中分别导入BIM数据和三维激光扫描数据，从虚拟坐标系转换为真实坐标系，通过标识进行三维注册，将真实场景的数据与虚拟场景合成，完成深基坑数据的AR实现；

步骤六，在系统展示端呈现实时数据模型，对比真实数据与虚拟数据，发现临界区域与危险点，监测到真实值超限时及时补救，并返回步骤二，持续对比，直至满足要求，从而实现深基坑的健康监测。

优选地，所述步骤四中的三维模型是在数据库中建立完工基坑结构的实际三维模型。

本发明具有以下有益效果：本发明在不事先埋设监测设备和接触基坑下，通过点云模拟深基坑结构信息，结合BIM数据模型，利用AR技术实现对深基坑施工和完工后的有效监测，能起到基坑危害预报及防护功能，达到简单、准确和快速进行深基坑健康监测目的，为工程提供了一种全新而可视化的基坑监测管理办法。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明中使用的ARToolkit技术在标记、相机和屏幕间的匹配关系的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和深基坑对本发明提出的基于BIM与AR技术的深基坑健康监测管理系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明深基坑健康监测管理系统包括三维激光扫描系统、数据处理端、系统展示端；

三维激光扫描系统110，包括三维激光扫描仪、数码相机、定位装置、电源及附属设备，用于获取建筑关键部位施工及历史健康监测信息，并传输数据给数据处理端120；

数据处理端120，装载有小型数据库221、BIM系统222、AR系统223，其中AR系统包括虚实融合、实时交互和三维注册模块；数据处理端120与三维激光扫描系统110相连，通过数据处理端120的小型数据库对三维激光扫描系统110中的采样数据进行滤波处理，选取有用的数据，得到深基坑现场数据模型；利用BIM系统对地勘报告和图纸进行建模，得到深基坑的虚拟三维模型，最后通过AR系统对真实和虚拟数据进行合成，完成深基坑数据的AR实现；

系统展示端130包括健康监测系统和显示设备，系统展示端130与数据处理端120相连，用于根据AR系统的数据进行分析对比，发现临界区域与危险点，监测到真实值超过虚拟值时，根据显示设备中深基坑的现场位置及时采取补救措施，同时返回三维激光扫描系统110，进行实时交互分析，实现深基坑健康监测。

本发明深基坑健康监测管理系统的管理方法包括以下步骤：

步骤一，以地勘报告为初始数据，将深基坑的二维地勘资料转换为三维地勘模型，并建立基坑结构的三维模型，完成BIM模型的建立；在BIM数据库中与基坑结构模型合并，同时设置土层属性，在施工中发生设计变更时，对BIM模型进行同步修改。

步骤二，在完工基坑区域进行点云数据采集，首先进行现场踏勘，并布设合适控制点和建立控制网，进行设站扫描及标靶提取；具体是在BIM数据库中与基坑结构模型合并，同时设置土层属性，在施工中发生设计变更时，对BIM模型进行同步修改。

步骤三，对深基坑已完工的小区域，确定扫描区域并检查通视条件，对深基坑建立能确保相互控制点均通视的控制网且其能覆盖扫描区域，选择合适的分辨率进行标靶精度扫描，采集点云数据；

步骤四，对点云数据进行滤波处理，并建立三维模型；对扫描得到的深基坑点云数据进行滤波处理，去除非量测区域的数据，拟合标靶中心点，将控制点的坐标传递给标靶中心点，使扫描得到的点云归化至工程实际坐标系。三维模型是在数据库中建立完工基坑结构的实际三维模型。

步骤五，在数据库中分别导入BIM数据和三维激光扫描数据，从虚拟坐标系转换为真实坐标系，通过标识进行三维注册，将真实场景的数据与虚拟场景合成，完成深基坑数据的AR实现；对BIM技术生成的虚拟模型和三维激光扫描得到的真实模型精细化，通过数据模型格式IFC（Industry Foundation Classes)进行信息交换，对模型加工处理后导出WRL格式文件，利用ARToolKit开发调用上述文件的AR程序，调试成功后运行程序。其中在AR实现中，采用基于标识的三维注册方法，将三维激光扫描得到的深基坑模型输入数据库，与BIM虚拟模型合成。

步骤六，在系统展示端呈现实时数据模型，对比真实数据与虚拟数据，发现临界区域与危险点，监测到真实值超限时及时补救，并返回步骤二，持续对比，直至满足要求，从而实现深基坑的健康监测。对后台数据库的深基坑健康监测信息，在AR实现时通过健康状况分级评估系统进行进一步分析，以便及时准备分析结果；通过AR系统的实时交互实现对深基坑健康监测信息的监控、分析及处理；所述的健康状况分级评估系统在获得深基坑健康监测的BIM数据信息、三维激光扫描信息等基础上进行分级评估及预警报告，在发出预警报告后通过持续修正实现连续健康监测。

本发明采用BIM技术实现深基坑的虚拟模拟，通过三维激光扫描技术及时反映深基坑的现场工况，最终利用AR技术完成深基坑的BIM模型与现实环境的虚实融合，并通过人机实时交互进行深基坑健康监测，解决了现有信息技术无法应用于现场管理的缺点，对深基坑特别是超大面积、周边情况复杂的情况很有意义。本发明在不埋设监测设备和未接触基坑的条件下进行快速而准确的进行健康分级评估，并及时做出预警。

Claims (3)

1.一种深基坑健康监测管理系统，其特征在于，其包括：

三维激光扫描系统，包括三维激光扫描仪、数码相机、定位装置、电源及附属设备，用于获取建筑关键部位施工及历史健康监测信息，并传输数据给数据处理端；

数据处理端，装载有小型数据库、BIM系统、AR系统，其中AR系统包括虚实融合、实时交互和三维注册模块；数据处理端与三维激光扫描系统相连，通过数据处理端的小型数据库对三维激光扫描系统中的采样数据进行滤波处理，选取有用的数据，得到深基坑现场数据模型；利用BIM系统对地勘报告和图纸进行建模，得到深基坑的虚拟三维模型，最后通过AR系统对真实和虚拟数据进行合成，完成深基坑数据的AR实现；

系统展示端包括健康监测系统和显示设备，系统展示端与数据处理端相连，用于根据AR系统的数据进行分析对比，发现临界区域与危险点，监测到真实值超过虚拟值时，根据显示设备中深基坑的现场位置及时采取补救措施，同时返回三维激光扫描系统，进行实时交互分析，实现深基坑健康监测。

2.一种深基坑健康监测管理系统的管理方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，以地勘报告为初始数据，将深基坑的二维地勘资料转换为三维地勘模型，并建立基坑结构的三维模型，完成BIM模型的建立；

步骤二，在完工基坑区域进行点云数据采集，首先进行现场踏勘，并布设合适控制点和建立控制网，进行设站扫描及标靶提取；

步骤三，对深基坑已完工的小区域，确定扫描区域并检查通视条件，对深基坑建立能确保相互控制点均通视的控制网且其能覆盖扫描区域，选择合适的分辨率进行标靶精度扫描，采集点云数据；

步骤四，对点云数据进行滤波处理，并建立三维模型；

步骤五，在数据库中分别导入BIM数据和三维激光扫描数据，从虚拟坐标系转换为真实坐标系，通过标识进行三维注册，将真实场景的数据与虚拟场景合成，完成深基坑数据的AR实现；

步骤六，在系统展示端呈现实时数据模型，对比真实数据与虚拟数据，发现临界区域与危险点，监测到真实值超限时及时补救，并返回步骤二，持续对比，直至满足要求，从而实现深基坑的健康监测。

3.根据权利要求2所述的深基坑健康监测管理系统的管理方法，其特征在于，所述步骤四中的三维模型是在数据库中建立完工基坑结构的实际三维模型。