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摘要：三维激光扫描技术被广泛地应用于工程建设中，是测绘领域于GPS之后的又一次技术革命。相对于传统的单点测量方法，它具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
关键词：三维激光扫描技术；基坑变形监测；应用
引言
随着我国城市化建设的迅速发展，我国基坑工程的建设规模日益扩大，给基坑工程的监测工作带来诸多挑战和难题，导致基坑变形监测的数据质量无法得到保障，极其不利于后续工作的顺利展开。而三维激光扫描技术作为一种新型的测绘技术，具有高密度、高精度、高速度、高空间分辨率、高时间分辨率、测量精度均匀等诸多特点，能够有效解决传统测量技术的缺陷问题，使基坑变形监测的效率和质量得到有效提高。为保证基坑变形监测的数据质量得到有效保障，有必要对三维激光技术在基坑变形监测中的应用进行深入分析。
1三维激光扫描简介
1.1三维激光扫描的工作原理
三维激光扫描测量系统由三维激光扫描仪、软件控制平台，数据处理平台及附属设备共同构成。三维激光扫描系统内部工作原理是在同一空间参考系下通过激光脉冲发射器驱动激光二极管发射激光脉冲信号，经过旋转棱镜射向目标体，通过探测器接收返回来的脉冲信号，利用一稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数，通过微电脑按算法处理转换成能够直接识别处理的数据信息，即采样点的空间坐标信息。通过传动装置的扫描运动，设定扫描范围，对目标进行全方位扫描；然后进行数据整理，再通过一系列处理获取表达目标空间分布和目标表面特性的点云数据。
1.2三维扫描技术特点
三维扫描技术具有以下特点：一、数据采样率高、速度快。三维激光扫描仪能够在数秒内采集上千个点，可以采获更多的物体空间信息。二、精确度高。三维扫描采用激光扫描方式，测点精度高于摄影测量中的解析点，其精度分布较摄影测量更为平均，能够避免表面的近似误差。三、受外界影响小。传统测绘测量只能在白天作业，夜间无法进行，而三维激光测量能在任何时间和地点通过自身发射的激光反射信号得到所测对象的位置信息。
1.3精度影响分析
精度影响主要在以下几个方面：一、激光测距的影响。激光测距信号在处理的各个环节都会带来一定的误差，特别是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理时引起误差。以Z+F扫描仪为例，在近距离（10m）处，可以达到0.4mm的测量精度，50m处下降到1.8mm。二、扫描角的影响。扫描角的影响包括激光束水平扫描角度和竖直扫描角度测量精度。扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微小震动、扫描电机的非均匀转动控制等的综合影响。尽管目前扫描仪的角度测量达到亚秒级别，但由于制造的误差，角度测量仍然不可忽视。三、目标物体反射特性的影响激光测距依赖于目标物体的反射激光能量，在任何情况，反射强度都受物体表面反射特性的影响。由于物体表面反射特性的差异，将导致激光测距产生一定的误差。反射特性受物体的材质、粗糙程度，表面色彩等影响。
2三维激光扫描技术在基坑变形监测中的应用分析
2.1数据采集和处理
在利用三维激光扫描仪进行基坑变形监测的时候，工作人员需要根据实际情况对三维激光扫描技术和传统测量技术进行结合运用，并事先准备好三维激光扫描仪、全站仪设备、HDS3英寸标靶、相匹配的处理软件Cyclone和Geomagic等等。在进行基坑变形监测过程中，工作人员需要在不影响工程施工的条件下，将HDS3英寸标靶安装到基坑的中间，继而在施工坐标系的基础上利用全站仪设备对HDS3英寸标靶和测站点进行监测，准确获取其三维坐标，之后就要通过三维激光扫描仪以中等密度的扫描方式对监测墙体和标靶进行扫描，在数据采集工作完成后，可以在点云的处理流程中进行简单的概括，并利用Cyclong软件对三幅点云进行组合拼接，科学控制拼接精度，在去除噪点之后进行建模操作，从而获取基坑内部支护结构的点云图。
2.2变形分析的方法
在使用该技术对变形的情况进行监测时，主要是利用点云数据进行比较，具体是在不同时期下对对象进行监测，然后获取到相关的点云数据，将获取到的点云数据进行比较，通过比较找出发生变化的信息，然后对这些信息数据进行分析，进而实现对变形情况的监测。一、利用点云直接进行比较，是先在不同时期下获得点云数据，然后对这些数据作差，以此来获得监测对象具体的形变量，常用的方法有三种：一是最佳拟合面；二是Hausdorff距离法；三是平均距离法。但是后两者在使用的过程中容易受数据质量影响，因此主要对最佳拟合面法进行分析，并以此来对点云数据间存在的差异进行提取。该方法的具体步骤分为四步，第一步是先获取到两期的点云数据，之后对选定的数据进行滤波处理，以此来清除在监测过程中测得的噪声点。第二步是建立针对性的索引结构，如格网索引以及八叉树等，以此来提升对数据的查找效率。第三步是对于所选择第二期的点，在之前一期中K邻域进行查找。第四步是利用K邻域点制作成平面。然后对其他需要分析的点到平面的距离进行计算，将计算的结果与阈值进行对比，距离大于该值，则将其视为变化点。二、在获得监测对象的点云数据之后，先按照这些点云数据建立相关的模型，其次直接对模型进行求差，或者比较其相关的关系，以此来对监测中产生的变量信息进行提取。在对地形数据进行提取时，可以先根据数据制作成DEM模型，然后在该模型上对变量进行提取。具体的模型比较步骤分为四步，一是先获取到相关的点云数据，对这些数据统一进行滤波处理，以此来消除在获取数据的过程中受到外界干扰较大的数据，保证数据的精确性；二是利用处理之后的数据进行模型的构建；三是对各个数据建立模型之后的坐标系以及精度进行统一，以前期数据建立的模型为评判模型，将之后建立的模型使用内插的方法插入到评判模型当中，然后对模型图中的所有坐标进行统一，进而使得建立的模型更加准确；四是根据模型上面显示出来的变化情况来对变形的程度进行分析。
2.3注意事项及对策
利用三维激光扫描技术进行基坑变形监测，点云的精度比较容易受到扫描距离的影响，一旦距离过大就会造成严重的数据误差问题，所以在进行扫描工作的时候，需要做好现场的检查工作，根据扫描现场对扫描距离进行合理控制，尽量确保扫描距离在50m以内，从而有效保证三维激光扫描仪的扫描精度，使数据质量得到有效保障。同时，为保证后视点和测站点的坐标精度，可以选择水准仪和全站仪设备进行后视点和测站点的测量工作，通过多次测量将数据的平均值作为后视点和测站点的坐标，从而有效保证数据质量。此外，在进行标靶扫描的时候，尽量选择小间距、高精度的点云扫描模式进行精细扫描，从而有效提高标靶中心点的坐标精度，使基坑变形监测更具有精确性和完整性。
3结论
三维激光扫描技术获得的数据量大，变形量直观简洁，非接触测量的方式等有很大优势。对于中小型基坑危险区域完全可以代替全站仪进行基坑监测，保证监测人员的安全。对于大型基坑由于涉及多站拼接，精度很难保证。同时随着扫描距离的增加，精度也显著下降，难以达到监测精度，可以作为全站仪测量的一种补充与验证。三维激光扫描技术在测量领域的应用潜力还有待进一步开发利用，随着技术的发展，仪器价格的降低以及精度的提高，这一技术在变形监测中的应用会更加广泛。
参考文献：
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