CN109826248A - 3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下工程空间位置变形信息化技术领域，尤其涉及一种3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法。本发明采用3D Laser Scanner可以实现连续多点扫描和数据的自动采集，大大提升数据采集效率、数量、精度。获得的点云信息解决了孤立点现状，同时，可以快速捕获变形信息，能够捕捉到发生大变形的实时信息，并且把变形信息可视化，可以更直观展现基坑变形情况。
Description
技术领域
本发明属于地下工程空间位置变形技术领域，尤其涉及一种3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法。
背景技术
按照国家规范要求，对于深度大于5m的基坑，需要进行变形监测。常用的方法有使用全站仪、水准仪设备进行水平位移和沉降监测。在进行变形监测时，通过控制点建立控制网，然后进行变形点监测。采用经纬仪和全站仪进行观测，存在以下缺点：(1)监测点布设一般是每隔20m布设一个点，这种观测是单点观测，监测得到的数据是孤立点信息，相邻监测点之间的变形信息无法知道，认为相邻两个监测点之间的变形是线性变化的，与实际不符，实际上变形是非线性的。(2)当测点较多时，特别是当基坑表面发生大变形时，无法捕捉变形点实时信息，而且由于观测是逐点观测，耗时耗力耗财(3)获得的数据一般以Excel表形式呈现，需要具体工程人员进行甄别，才能获得数据隐藏的信息，因此，信息化和可视化程度低。(4)受施工影响较大，当坡顶地方狭窄无法进行布设监测点和基准点，导致监测信息无法反映施工进度下基坑的安全状态。(5)由于经纬仪和全站仪仪器误差，使得在外业进行长时间观测时，受环境影响大，经常出现不能满足监测结果不满足要求的现象，需要进行反复测量。
为此，采用满足工程实际需要的现代化监测仪器，越来越得到工程技术人员青睐，三维激光扫描技术是一种近年来发展起来的技术，正成为研究热点并逐渐被工程技术人员所接受。其中，专利“CN201610621282-一种用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法”，公开了一种对堆石坝挤压边墙变形进行监测的方法。但该方法采用surfer软件绘制变形图，该图形是二维图形，不直观，并且需要专业人士才能解读变形图中隐藏的信息。
而专利“CN201610663038-基于BIM的多维成像融合技术实现隧道爆破质量数字化的方法”采用将获得的各种多源数据导入到Excel表中，获得x，y数据，通过算法生成二维格网，然后再添加z坐标，进行三维建模，再进行相关误差处理。这种方法相对比较麻烦，并且相应的过程需要懂得程序相应误差处理的人员才可以执行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是采用经纬仪和全站仪进行观测，存在以下缺点：(1)监测点布设一般是每隔20m布设一个点，这种观测是单点观测，监测得到的数据是孤立点信息，相邻监测点之间的变形信息无法知道，认为相邻两个监测点之间的变形是线性变化的，与实际不符，实际上变形是非线性的。(2)当测点较多时，特别是当基坑表面发生大变形时，无法捕捉变形点实时信息，而且由于观测是逐点观测，耗时耗力耗财。(3)获得的数据一般以Excel表形式呈现，需要具体工程人员进行甄别，才能获得数据隐藏的信息，因此，信息化和可视化程度低。(4)受施工影响较大，当坡顶地方狭窄无法进行布设监测点和基准点，导致监测信息无法反映施工进度下基坑的安全状态。(5)由于经纬仪和全站仪仪器误差，使得在外业进行长时间观测时，受环境影响大，经常出现不能满足监测结果不满足要求的现象，需要进行反复测量。
为解决上述问题，本发明采用3D Laser Scanner可以较好地改善上述现状，它可以实现连续多点扫描和数据的自动采集，大大提升数据采集效率、数量、精度，获得的点云信息解决了孤立点现状，同时，可以快速捕获变形信息，能够捕捉到发生大变形的实时信息，并且把变形信息可视化，可以更直观展现基坑变形情况。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，包括以下步骤：
一、基准点云获取
1、测站基准点：测站基准点的选取如图1所示。在基坑阴角45°延长线的2倍基坑开挖范围外布设1个基准站。
这样做的优点：(1)基坑阴角45°延长线相对较稳定，不受基坑开挖引起的变形影响；(2)只需要选取1站即可，避免选取多站带来的工作量大和数据处理的困难；(3)可以在1个基准站上多次测量，避免调焦、对中以及观测过程中距离、角度改变带来的误差，使得扫描精度更高。
2、扫描参考基准：在测站基准点通往基坑的方向埋设3处扫描参考基准点。扫描参考基准点埋设示意图如图2所示。3个扫描参考基准点不在同一条直线上，并布设在强制对中底座上。通过扫描3处参考基准，匹配特征点进行拼接，并进行存储，作为后期每次变形观测时的点云基准图，即该参考点云图主要起到把基准点云与基坑变形点云相互连接的作用。以图2为例，所述强制对中底座包括金属底座、射钉、靶球基座和靶球，靶球的底部有一圆柱状且带有强磁性的金属的靶球基座，本着便于扫描的原则，在测站基准点通往基坑的方向选择视野开阔的地方确定控制点，确定好控制点位置后，用射钉将与靶球基座直径相同的圆柱状的金属底座固定在扫描参考基准点处，后续扫描只需将靶球基座放置到金属底座即可，其中，控制点是在测站基准点通往基坑的方向埋设，主要用途是便于基准点的扫描点云与基坑的扫描点云拼接。因此，该控制点的位置应选在视野开阔，便于扫描的位置，且为了后期点云顺利拼接，要保证三个控制点不在同一条直线上。
这样做的优点：一是可以通过埋设水泥墩并按上强制对中底座，可以避免扫描参考基准点云变形，确保后期观测的稳定性；二是这种通过布设强制对中底座避免作为基准的标靶每次放置的位置不一样(一般情况下，标靶没有对中装置)，确保作为基准的扫描点云变形可知；三是可以免于将靶球一直固定在扫描参考基准点处，防止靶球遭到人为或其他破坏，能够很好地保护靶球且提高靶球的利用率。
3、过渡站点及基坑场地分区：一般情况下，基坑范围较大，采用一次把所有都扫描存在精度低、遮挡等问题，因此，需要分区来进行扫描。这样扫描后，需要把相邻的区域扫描点云进行拼接，拼接时需要特征点(公共点)作为拼接匹配的依据。
操作时按照事先制定好的扫描路线向基坑方向扫描，每一站均称为过渡站点。扫描时，确保相邻两站至少要有三个标靶是重复出现的。
这样做的优点：两站之间重复标靶越多，误差修正越好，两个点云拼接时匹配度越高，点云精度越高。
二、基坑变形点云分区获取及拼接
1、制定建筑基坑场地内扫描分区方案。
由于建筑场地范围大且人机流动性强，扫描出的点云会出现基坑场地覆盖范围少且噪点多的情况。为此，采取分区扫描的方法，需要根据地形将场地划分为若干个便于扫描的小区域，并分别设置扫描站点进行扫描采集，分区示意图如图4所示。扫描时，要注意以下4点：
(1)要求每个区域之间要有一定的重叠率，优选为如图4所示相邻区域覆盖率在分界线两侧各5m；
(2)相邻两站要有三个及以上标靶作为点云拼接时的特征点；其中，分区扫描后，需要把相邻的区域扫描点云进行拼接，拼接时需要公共点作为拼接匹配的依据，这样的公共点称为特征点；
(3)安放标靶时注意要避免三点共线；
(4)扫描完成后要查看扫描仪里的预览图，确保扫描能覆盖所有关键点，否则要进行补录。确认无误后转移下一站，依次按照确定的扫描站点和扫描区域进行扫描。
2、对获取的扫描路线基坑变形点云进行拼接。
点云拼接从测站基准点开始，按照扫描路线依次进行拼接，为了保证变形点云对比，每次扫描点云拼接都是从测站基准点开始。
三、基坑变形点云数据处理
1、降噪。
将拼接的数据去噪。在拼接过程中，对扫描路线上非主要参照物点云直接剔除，对建筑基坑分区扫描过程中产生的噪声进行降噪处理。
2、格式转换。
在现阶段BIM应用中，Rivit软件应用度非常高，因此，本专利主要针对Rivit软件进行格式转换。将拼接、降噪后的建筑基坑点云进行存储格式转换，模型保存为.sat格式，然后导入到Rivit软件中。
四、建筑基坑变形信息获取及可视化
由于设置的控制点处于稳定场地不会发生变化，因此在模型比较阶段，只需将两次扫描得到的模型进行控制点的重合即可得到监测点云的变化。
第一步，基础点云对齐。将每一期通过测站基础点获取的扫描参考基准点云对齐。
第二步，过渡点云拼接。按照扫描路径获取的点云与扫描参考点云拼接，并降噪。
第三步，格式转换。将每次获取的点云转换格式，保存为.sat格式。
第四步，点云BIM模型的建立。通过FARO As-Built插件，在Revit软件中从点云坐标创建拓扑表面，直接用于Revit族编辑器创建特定对象的族，进行点云BIM模型建立。
第五步，可视化及分析。可视化有两种方法。
方法一：采用通过3DReshaper中RPS配准功能，直接进行点云可视化，并将不同期点云可视化结果进行叠加，就可以得到变形可视化云图，具体变形通过点云每一个要素的ID导出信息数据标签，可以得到变形信息。
方法二：利用第四步获得的点云BIM模型进行可视化及分析。过程如下：采用表面分析功能，一方面，将点云BIM与设计阶段的BIM模型进行对比，并且对比结果可导出为剖面线，或导出到数据库当中，实现模型检查报告。另一方面，可以将每一期获得的点云BIM模型进行对比，获得点云BIM模型的变化，反映出基坑变形，并导出剖面线或者导出到数据库当中。
本专利的有益效果为：
1.将控制点布设在远离施工场地影响范围的稳定区域，避免了控制点发生变化而导致监测不准确；
2.借助于先进的三维激光扫描仪，扫描后的点云文件包含色彩信息，可以真实还原场景。比传统的变形监测能更加直观地展现监测部位的变化；
3.整个扫描工作是半自动化完成，只需确定好扫描站点与控制点，扫描仪就能自动扫描并记录，比传统的全手动监测手段效率高；
4.点云文件可以结合BIM，是数字土木工程的重要组成部分，也是未来趋势；
5.不用借助全站仪或GPS等设备对控制点坐标精确定位就能实现两期点云文件的匹配与对比。
附图说明
图1是测站基准点位置示意图；
图2是扫描参考基准点埋设示意图；
图3是强制对中底座结构图；
图4是场地分区扫描示意图；
图5是操作流程示意图；
图6是深基坑实例图；
其中，金属底座1、射钉2、靶球基座3、靶球4、建筑场地5、特征点6、三维激光扫描仪7、控制点场地8、开挖基坑9、测站基准点10、阴角45°延长线11、地面12、水泥墩13。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，包括以下步骤：
一、基准点云获取
1、测站基准点：测站基准点10的选取如图1所示。在开挖基坑9阴角45°延长线11的2倍基坑开挖范围外布设1个基准站。
这样做的优点：(1)基坑阴角45°延长线相对较稳定，不受基坑开挖引起的变形影响；(2)只需要选取1站即可，避免选取多站带来的工作量大和数据处理的困难；(3)可以在1个基准站上多次测量，避免调焦、对中以及观测过程中距离、角度改变带来的误差，使得扫描精度更高。
专利“CN201610621282-一种用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法”选取2个基准点，存在如下问题：一是从该文献图3看，基准点位置选在了坝址两端，由于坝体变形，作为结构整体，实际上这个位置也处于变形位置，基准点边形，会引起后面的数据不能反映真实的变形，比实际增大或者减少，从该文献图6的位移场图也可以看到，该文献选取的基准点也处于位移场变化中；二是选取2个基准站点，存在两站配准问题，即作为基准的观测点云是两站配准得到的，存在不同站观测同一个控制标靶距离和角度精度不一样的问题，如果基准点云配准过程中误差超限，无法预测是哪一站误差超限，也就不能够为工程提供基准数据。
通过基准站获得的基准点云作为后期观测的基准，必须要确保稳定性和准确性。因此，本专利提出的选取办法更科学，更实用。
3、扫描参考基准：在测站基准点通往基坑的方向埋设3处扫描参考基准点。扫描参考基准点埋设示意图如图2所示。3个扫描参考基准点不在同一条直线上，并布设在强制对中底座上。通过扫描3处参考基准，匹配特征点进行拼接，并进行存储，作为后期每次变形观测时的点云基准图，即该参考点云图主要起到把基准点云与基坑变形点云相互连接的作用。以图2为例，所述强制对中底座包括金属底座1、射钉2、靶球基座3和靶球4，靶球4的底部有一圆柱状且带有强磁性的金属的靶球基座3，本着便于扫描的原则，在测站基准点通往基坑的方向选择视野开阔的地方确定控制点，确定好控制点位置后，用射钉2将与靶球基座3直径相同的圆柱状的金属底座1固定在扫描参考基准点处，后续扫描只需将靶球基座3放置到金属底座1即可。其中，控制点是在测站基准点通往基坑的方向埋设，主要用途是便于基准点的扫描点云与基坑的扫描点云拼接。因此，该控制点的位置应选在视野开阔，便于扫描的位置，且为了后期点云顺利拼接，要保证三个控制点不在同一条直线上。
这样做的优点：一是可以通过在地面12内埋设水泥墩13并按上强制对中底座，可以避免扫描参考基准点云变形，确保后期观测的稳定性；二是这种通过布设强制对中底座避免作为基准的标靶每次放置的位置不一样(一般情况下，标靶没有对中装置)。确保作为基准的扫描点云变形可知；三是可以免于将靶球一直固定在扫描参考基准点处，防止靶球遭到人为或其他破坏，能够很好地保护靶球且提高靶球的利用率。
4、过渡站点及基坑场地分区：这里采用分区的方式对基坑进行扫描。仅设立一站扫描难以覆盖整个基坑，扫描点云也就不能体现局部的细微变化，故采用分区划片的方法，将基坑划分为几个区域，然后使用三维激光扫描仪对各区域分别扫描，最后拼接形成整个基坑的点云图。通过这种方法能够提高扫描点云的精度。
当然，拼接点云的过程需要用到标靶作为特征点来定位。因此，扫描时也应该在相邻两站放置标靶，并根据场地情况及时调整标靶位置。这里标靶位置的确定原则与数量与一、3中所述控制点相同。
场地分区需要根据现场实际情况进行划分，没有特定的划分方法，但要始终本着便于扫描和完整覆盖基坑的原则。
以图4分区图为例，相邻区域以分界线为界，向两侧各5m作为覆盖区，即重叠区。
操作时按照事先制定好的扫描路线向基坑方向扫描，每一站均称为过渡站点。扫描时，确保相邻两站至少要有三个标靶是重复出现的。
这样做的优点：两站之间重复标靶越多，误差修正越好，两个点云拼接时匹配度越高，点云精度越高。
二、基坑变形点云分区获取及拼接
1、制定建筑基坑场地内扫描分区方案。
由于建筑场地5范围大且人机流动性强，扫描出的点云会出现基坑场地覆盖范围少且噪点多的情况。为此，采取分区扫描的方法，需要根据地形将场地划分为若干个便于扫描的小区域，并分别设置扫描站点进行扫描采集，分区示意图如图4所示。扫描时，要注意以下4点：
(1)要求每个区域之间要有一定的重叠率；如图4所示相邻区域覆盖率在分界线两侧各5m；
(2)相邻两站要有三个及以上标靶作为点云拼接时的特征点6；其中，分区扫描后，需要把相邻的区域扫描点云进行拼接，拼接点云的过程需要用到标靶作为特征点来定位，这样的公共点称为特征点，也可以说公共点；因此，扫描时也应该在相邻两站放置标靶，并根据场地情况及时调整标靶位置，这里标靶位置的确定原则与数量与上述控制点相同；
(3)控制点场地8内安放标靶时注意要避免三点共线；
(4)扫描完成后要查看扫描仪7里的预览图，确保扫描能覆盖所有关键点，否则要进行补录。确认无误后转移下一站，依次按照确定的扫描站点和扫描区域进行扫描。
2、对获取的扫描路线基坑变形点云进行拼接。
点云拼接从测站基准点开始，按照扫描路线依次进行拼接，为了保证变形点云对比，每次扫描点云拼接都是从测站基准点开始。
文献“CN201610621282-一种用于快速监测高面板堆石坝挤压边墙变形的方法”并没有采用分区的方式进行扫描。分区扫描的优点在于：通过分区确保本区域内的扫描精度能够达到要求，同时相邻两区域要确保重合度，这样，点云的传递和拼接精度也获得了保证。
三、基坑变形点云数据处理
1、降噪。
将拼接的数据去噪。在拼接过程中，对扫描路线上非主要参照物点云直接剔除，对建筑基坑分区扫描过程中产生的噪声进行降噪处理。
2、格式转换。
在现阶段BIM应用中，Rivit软件应用度非常高，因此，本专利主要针对Rivit软件进行格式转换。将拼接、降噪后的建筑基坑点云进行存储格式转换，模型保存为.sat格式，然后导入到Rivit软件中。
四、建筑基坑变形信息获取及可视化
由于设置的控制点处于稳定场地不会发生变化，因此在模型比较阶段，只需将两次扫描得到的模型进行控制点的重合即可得到监测点云的变化。
第一步，基础点云对齐。将每一期通过测站基础点获取的扫描参考基准点云对齐。
第二步，过渡点云拼接。按照扫描路径获取的点云与扫描参考点云拼接，并降噪。
第三步，格式转换。将每次获取的点云转换格式，保存为.sat格式。
第四步，点云BIM模型的建立。通过FARO As-Built插件，在Revit软件中从点云坐标创建拓扑表面，直接用于Revit族编辑器创建特定对象的族，进行点云BIM模型建立。
第五步，可视化及分析。可视化有两种方法：
方法一：采用通过3DReshaper中RPS配准功能，直接进行点云可视化，并将不同期点云可视化结果进行叠加，就可以得到变形可视化云图，具体变形通过点云每一个要素的ID导出信息数据标签，可以得到变形信息。
方法二：利用第四步获得的点云BIM模型进行可视化及分析。过程如下：采用表面分析功能，一方面，将点云BIM与设计阶段的BIM模型进行对比，并且对比结果可导出为剖面线，或导出到数据库当中，实现模型检查报告。另一方面，可以将每一期获得的点云BIM模型进行对比，获得点云BIM模型的变化，反映出基坑变形，并导出剖面线或者导出到数据库当中。
采用上述方法进行基坑变形监测，具有以下优点：
1.将控制点布设在远离施工场地影响范围的稳定区域，避免了控制点发生变化而导致监测不准确；
2.借助于先进的三维激光扫描仪，扫描后的点云文件包含色彩信息，可以真实还原场景。比传统的变形监测能更加直观地展现监测部位的变化；
3.整个扫描工作是半自动化完成，只需确定好扫描站点与控制点，扫描仪就能自动扫描并记录，比传统的全手动监测手段效率高；
4.点云文件可以结合BIM，是数字土木工程的重要组成部分，也是未来趋势；
5.不用借助全站仪或GPS等设备对控制点坐标精确定位就能实现两期点云文件的匹配与对比。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：采用3D LaserScanner通过基准点云获取、基坑变形点云分区获取及拼接、基坑变形点云数据处理、建筑基坑变形信息获取及可视化分析四个步骤进行基坑变形监测。
2.如权利要求1所述的3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：基准点云获取包括以下步骤：
(1)测站基准点选取：在基坑阴角45°延长线的2倍基坑开挖范围外布设1个基准站作为测站基准点；
(2)扫描参考基准点埋设：在测站基准点通往基坑的方向埋设3个扫描参考基准点；
(3)过渡站点及基坑场地分区：按照事先制定好的扫描路线向基坑方向扫描，每一站均称为过渡站点，扫描时确保相邻两站至少要有三个标靶是重复出现的。
3.如权利要求2所述的3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：步骤(2)中3个扫描参考基准点不在同一条直线上，并布设在强制对中底座上，强制对中底座安装在预埋设的水泥墩上。
4.如权利要求1所述的3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：基坑变形点云分区获取及拼接包括以下步骤：
(1)制定建筑基坑场地内扫描分区方案：根据地形将场地划分为若干个便于扫描的小区域，相邻区域有5m作为相互覆盖区，并分别设置扫描站点进行扫描采集；
(2)对获取的扫描路线基坑变形点云进行拼接：每次扫描点云拼接都从测站基准点开始，按照扫描路线依次进行拼接。
5.如权利要求1所述的3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：基坑变形点云数据处理包括以下流程：
(1)降噪：对扫描路线上非主要参照物点云直接剔除，对建筑基坑分区扫描过程中产生的噪声进行降噪处理；
(2)格式转换：将拼接、降噪后的建筑基坑点云进行存储格式转换，模型保存为.sat格式，然后导入到Rivit软件中。
6.如权利要求1所述的3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：建筑基坑变形信息获取及可视化分析即将两次扫描得到的模型进行控制点的重合即可得到监测点云的变化。
7.如权利要求6所述的3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：建筑基坑变形信息获取及可视化包括以下流程：
(1)基础点云对齐：将每一期通过测站基础点获取的扫描参考基准点云对齐；
(2)过渡点云拼接：按照扫描路径获取的点云与扫描参考点云拼接，并降噪；
(3)格式转换：将每次获取的点云转换格式，保存为.sat格式；
(4)点云BIM模型的建立：通过FARO As-Built插件，在Revit软件中从点云坐标创建拓扑表面，直接用于Revit族编辑器创建特定对象的族，进行点云BIM模型建立；
(5)可视化及分析。
8.如权利要求7所述的3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：可视化及分析采用通过3DReshaper中RPS配准功能，直接进行点云可视化，并将不同期点云可视化结果进行叠加，就可以得到变形可视化云图，具体变形通过点云每一个要素的ID导出信息数据标签，可以得到变形信息。
9.如权利要求7所述的3D Laser Scanner应用于基坑变形监测的方法，其特征在于：可视化及分析利用第四步获得的点云BIM模型进行可视化及分析，过程如下：采用表面分析功能，一方面，将点云BIM与设计阶段的BIM模型进行对比，并且对比结果可导出为剖面线，或导出到数据库当中，实现模型检查报告；另一方面，可以将每一期获得的点云BIM模型进行对比，获得点云BIM模型的变化，反映出基坑变形，并导出剖面线或者导出到数据库当中。
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