三維激光掃描在土石方量精計算中的應用

馮曉剛，劉明星，撒利偉，楊 鑫，李 萌

（1.西安建筑科技大學 建筑學院 建筑勘測研究所，陜西 西安710055）

三維激光掃描在土石方量精計算中的應用

馮曉剛1，劉明星1，撒利偉1，楊 鑫1，李 萌1

（1.西安建筑科技大學 建筑學院 建筑勘測研究所，陜西 西安710055）

探討了三維激光掃描技術在土石方量精確計算中的應用，主要包括方案設計、前期組織、外業施測到內業成果計算與提交的整個過程。并通過實際項目案例予以驗證，以期為三維激光掃描技術在土石方量精計算中的應用提供參考。

地面三維激光掃描；土石方量；精計算

1 三維激光測量原理

傳統的土石方量外業施測多以水準測量方法、全站儀方法或者GPS RTK方法為主[1]。且都是通過在測區選擇高低不同的特征點進行實地測量并記錄以達到外業測量的目的，內業計算通常借助相關計算軟件，以外業實測離散點坐標為基礎，通過建立相關土方計算模型以達到計算土石方量的目的，多采用諸如斷面法、方格網法、等高線法、平均高程法、區域土方量平衡法、不規則三角網法中的一種或者幾種[2]。由于獲取原始數據均以研究區域特征離散點為基礎，因此，最終計算土石方量的精度往往取決于獲取研究區原始區域特征點位的精度及點位的密度等。由于研究區域土石方堆積表面形狀的復雜性，及實際測量特征離散點個數的有限性，致使以線性內插為基礎的土石方計算模型獲得結果與實際土石方量有差異[3]。一般情況下，土石方量越大，兩者之間的差異也越大。而三維激光掃描技術的出現，為解決上述難題開辟了一條嶄新的途徑。三維激光掃描技術又稱實景復制技術（HDS），是當今最先進的測量技術手段之一[4-8]，國內外眾多學者已經開始嘗試用該技術進行土方測量[6-8]。

三維激光掃描儀主要包括1臺高速精確的激光測距系統、1組引導激光反射并以均勻角速度掃描的反射棱鏡、水平方位角偏轉控制器、高度角偏轉控制器、數據輸出處理器，部分儀器還具有內置的數碼相機。三維激光掃描儀發射器發射一個激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算目標點P到掃描儀的距離s，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向、縱向掃描角度觀測值α、β。三維激光掃描一般為儀器自定義坐標系，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，并一起構成右手坐標系（如圖1）。P點坐標為[9]：

圖1 地面三維激光掃描系統的定位原理

2 土石方量計算模型

本文以三維激光掃描獲取的高分辨率海量點云數據為基礎，基于移動擬合法，采用逐點內插的思路構建不規則三角網（TIN）模型，在充分考慮DEM空間分辨率的基礎上精確刻畫該研究區域的地表形態。基于ArcGIS的地形處理模塊，利用構建的高精度TIN模型進行研究區域土石方量的精確計算及精度評價。

3 應用實例分析

3.1 研究區概況

研究區域為某一商品房建設工地，面積約3 300 m2，地形起伏較大，有坡地、凹坑及堆土等。根據甲方要求需要提供項目區域內精確的土石方量大小，基于此，該項目采用Leica C10三維激光掃描儀獲取項目區高精度土石方量數據，同時，采用GPS RTK技術進行結果驗證。

3.2 方案與前期設計

首先需要根據現場實際情況，制作掃描規劃草圖，主要包括外業操作人員、掃描區域和時間、設站位置、標靶位置等；其次，為了方便后期拼接和避免重復掃描，需要科學設站并確保兩站標靶通視；最后規范設置標靶位置，除了要求標靶擺設穩固、不能共線外，最好設置在兩測站公共空間最大的距離處，以保證不同站點點云數據的拼接精度。

3.3 控制網的建立

由于掃描儀獲取的數據是以儀器為中心的站心坐標系，為了使掃描數據與甲方提供的已知控制點地理空間坐標系一致，就需要建立施測控制網。施測控制網的建立方法可以借鑒導線控制測量的思路。控制點布設完畢后，借助全站儀獲取各控制點地理坐標。本項目根據現場情況，共設置3個控制點。

3.4 施測過程

將三維激光掃描儀安置在1號測站點上，經對中整平后，將專用標靶架設在鄰近的已知控制點A上作為后視點定向。當定向精度滿足工程需要后，直接將定向結果應用到本次掃描過程。接下來分別設置掃描的分辨率、點間隔和紋理數據庫采集的曝光度，以獲取掃描區域的影像和標靶影像。本次掃描分辨率設置為5 cm×5 cm，設置完成后開始測站掃描，掃描完成后開始標靶掃描。標靶掃描最好遵循由遠及近或者由近及遠的順序，同時，務必保證同一標靶在不同掃描測站中編號一致。掃描完一個測站后，可通過查看功能直接檢查本測站掃描結果是否合乎精度要求，若滿足要求，再行搬站。

與此同時，利用GPS RTK技術每隔0.5 m進行研究區域有限點坐標的采集，數據采集完畢，將獲取的數據導入CASS9.0，在構建TIN模型的基礎上，繪制測區等高線圖，并基于等高線進行土石方量的計算。

3.5 點云數據的處理

由于外業測量過程中外界因素的干擾，使得實測點云數據產生噪聲，噪聲數據的存在會降低模型的計算精度，因此必須剔除。常見的剔除手段包括計算機設置閾值自動剔除和人工手動刪除2種。本項目采用人工手動刪除的方式，能夠很容易達到剔除噪聲的目的，從而保證點云數據的準確性。

基于此，利用已知控制點與標靶坐標數據進行基于已知控制點的點云數據拼接，并檢查拼接精度是否滿足內業處理精度要求。再經數據凍結等操作，并導出文本格式。

3.6 土石方量的計算結果

1）計算模型。本文利用TIN進行土石方量計算。TIN計算原理是通過建立三角網計算每一個三棱錐柱的填挖方量，然后把每個三棱錐的方量累加，從而獲得研究區域內的填方量和挖方量。根據三角形各角點填挖高度的不同，可將每個參與計算的三角形分為全填全挖及有填有挖2種[2]。

2）土石方計算結果。將經過拼接后的點云數據進行抽稀，導出為文本格式，在ArcGIS中的ARC環境下生成TIN模型，結果見圖2。在ArcScene環境下打開構建的TIN模型，利用3D Analyst模塊中的Surface Analyst下的Area and Volume Statistics 功能，以參考高程390.685 m為基準，分別計算該參考面上的填方量和挖方量，結果見圖3，計算土方量總面積3 351.85 m2；地表土挖方方量10 010.85 m3；地表土填方方量47.95 m3。

圖2 基于點數據構建的TIN模型

3.7 結果與分析

本項目外業實測中點采樣間隔為5 cm，抽稀后為20 cm，利用TIN擬合地表三維模型，可認為該模型能夠完全反映真實的地表起伏狀態，因此，基于該三維模型計算的地表土方量可認為誤差小至忽略不計。同時，為了比較常規GPS采用動態RTK模式測量土方量的精度，外業采用RTK方法獲取測繪區域地貌特征點，累計獲取1 380個碎部點數據，利用CASS9.0軟件中土方計算功能，在進行異常點剔除、計算邊界界定及基準標高確定（h=390.685）等工作后，同樣采用0.2 m間隔基于方格網法計算土石方量，計算結果為：計算土方量總面積3 351.85 m2；地表土挖方方量9 980.3 m3；地表土填方方量46.16 m3。

對比分析發現，挖方量相差30.55 m3，占總挖方量的0.3%，填方量相差1.79 m3，占總填方量的3.7%。原因在于原始地貌形態破碎度大，三維激光掃描儀能夠完整地記錄這種地貌的破碎形態，而傳統單點測繪的方法無法完整地記錄地貌的起伏狀況，且只能通過實測特征點及特征點加密的方法盡可能詳盡地表達地貌的原始形態。因此，傳統的單點測繪無法完整地表達地貌的原始形態，其計算結果只能根據實測點數的多少無限地接近真實值。然而三維激光掃描技術克服了這一技術缺陷，能達到近乎零誤差的地步。

圖3 計算結果

[1] Du J C,Teng H C.3D Laser Scanning and GPS Technology for Landslide Earthwork Volume Estimation[J].Automation in Construction,2007(16):657-663

[2] 李濱,冉磊,程承旗.三維激光掃描技術應用于土石方工程的研究[J].測繪通報,2012(10):62-64

[3] 王京衛,丁寧,趙同龍.場地平整中土石方量計算的三維可視化方法[J].測繪工程,2006(6):15-19

[4] 王解先,侯東亞,段兵兵.三維激光掃描儀在堆積物體積計算中的應用[J].測繪通報,2013(7):54-56

[5] 胡奎.三維激光掃描在土方計算中的應用[J].礦山測量,2013(1):70-72

[6] 劉思宇.基于三維掃描的土石方計算研究[J].河南科技, 2013(8):13-14

[7] 孟志義.激光掃描技術在土方量計算中的應用及精度分析[J].北京測繪,2012(4):64-66

[8] 劉昌軍,丁留謙,孫東亞.三星堆月亮灣城墻遺址覆土方量計算[J].水利水電科技進展,2011(2):81-84

[9] 郭超,牛雪峰,梁振興,等.三維激光掃描技術在土方量計算中的應用[J].數字技術與應用,2013(1):85-86

P237.9

B

1672-4623（2015）04-0049-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.018

馮曉剛，講師，主要從事全息化古遺址保護與環境遙感方面的研究。

2014-05-19。

項目來源：陜西省自然科學基金青年人才基金資助項目（2013JQ5011）；陜西省教育廳專項基金資助項目（11KJ0756）；西安建筑科技大學人才基金資助項目（RC1214）。