基于三維激光掃描儀的土方測量應用研究

洪卓眾

(廈門市海洋與漁業研究所，福建 廈門 361008)

基于三維激光掃描儀的土方測量應用研究

洪卓眾*

(廈門市海洋與漁業研究所，福建 廈門 361008)

土方量測算是工程項目中最基本的問題，準確、快速、高精度的土方量測算，對工程的工期、成本和規劃設計有重要的意義。文中利用三維激光掃描儀對某區域進行數據采集，結合GeomagicStudio軟件建立被測區域的三維模型及線、面、體等各項信息，進而獲得填方量和挖方量并與傳統方法進行對比驗證。結果表明：運用三維激光掃描儀測算的土方量，精度高、效率快，能夠滿足各種工程建設的需求。

土方計算；三維激光掃描儀；三維建模

1 三維掃描技術原理及傳統土方計算模型

1.1 三維掃描技術原理

三維激光掃描儀是無合作目標激光測距儀與角度測量系統組合的自動化快速測量系統，在復雜的現場和空間對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強度，自動存儲并計算，獲得點云數據[1]。每秒可采集百萬的數據點，縱向掃描角接近于90°，橫向可繞儀器豎軸進行360°全圓掃描，掃描數據可通過TCP/IP協議自動傳輸到計算機，外置數碼相機拍攝的場景圖像可通過USB數據線同時傳輸到電腦中。大量精確的點云數據在后續處理建立模型時，點成線，線成面，構建的模型表面幾乎和實體土方表面一模一樣[2]。

1.2 傳統土方計算模型

傳統的土方量計算方法有方格網法，DTM法，斷面法，等高線法。對于面狀區域，較常用的是方格網法和DTM法，其中方格網法是在給定的范圍內，按一定間隔d生成方格網。按照高程數據文件利用插值的數學方法，確定方格網中各小方格點的高程。利用兩個數據文件分別插值的1個小方格4個角點高程的平均值分別為：

(1)

(2)

則小方格的土方量為：

Vi=(h″-h′)d2

(3)

將所有小方格累加，即得到挖方量和填方量[3]。

DTM模型計算是通過生成不規則三角網，使整個土石方的地形形成了由三角錐組成的集合，根據給定的設計高程設計零平面，分解成三棱錐、三棱柱，計算出體積從而累加成挖方和填方。該方法精度較高。碎部點的數量，位置及精度決定了土方量計算的精度，但數據點越密，工作量越大，測量耗時越長[3]。

2 算 例

文中選取某區域一小山(如圖1所示)作為研究對象，該區域形狀不規則，樹木相對較多，地面起伏較大。本次實驗通過建立統一的基準，分別采用傳統測算方法與三維激光掃描儀測算方法進行對比驗證。具體情況如下。

圖1 算例區域示意圖

2.1 傳統方法

傳統方法采用2″全站儀進行碎部點采集，為保證固定區域土方計算的準確性，采集數據時，平坦地方每隔 4 m采集一數據，凹凸不平或者斜坡地方則每隔 2 m采集一數據。實測中依據地形確定高程數據的密度，特別是高差起伏較大或者凹凸不平的地方。圖2是全站儀采集的數據分布示意圖。

圖2 全站儀土方測量數據示意

土方計算利用南方CASS軟件以DTM方法計算。先確定土方區域邊界，點間距離設置為 3 m，底標高設置為 10 m，由于固定區域土方邊坡是平滑的曲面，所以邊坡處理直接采用默認數值。根據邊界線直接生成DTM模型，即得出結果，如圖3所示：

圖3 DTM法計算的挖填土方量

2.2 三維激光掃描土方量計算

文中采用faro focus3D X130激光掃描儀進行數據采集，該儀器測距精度：±2 mm，掃描距離：0.6 m～30 m。針對于該區域樹木較多，采用交叉擺站，沿著實驗區域邊界兩側錯開擺站，分辨率設置為1/4、4倍質量的模式，相鄰測站之間使用3個公共靶球。獲得該區域全景掃描數據。利用掃描后處理軟件GeomagicStudio對獲得的點云數據進行噪聲去除，數據拼接，數據精簡及曲面重構。圖4是拼接完成后的部分三維視圖。

圖4 部分三維視圖

根據已處理數據，構建土方區域模型，設定基準面為 10 m，在計算挖填土方時，通過三維激光掃描儀可以獲得表面土方的體積，直接生成土方模型即可直接得到計算結果(如圖5所示)。

根據圖5可知，該方法土方區域的總體積為 8 227.03 m3(導入數據時采用的單位是mm，方便數據處理，計算的結果是 8 227.03 mm3，此處改為 8 227.03 m3)。

圖5 GeomagicStudio軟件土方計算的效果圖

2.3 計算結果對比分析

計算結果對比 表1

如表1所示，與DTM方法算出挖方量和填方量不同，由于GeomagicStudio軟件直接算出模型的體積，故填方量為0，即直接算出總土方量。由計算結果可知，兩種方法測算得出總土方量之差為 117.3 m3，即1%的差距。相差較小，由于傳統方法存在采集點的位置、密度還有三角網內插的算法上存在一定的失真現象，故存在一定的誤差。

3 結 論

三維激光掃描儀用于工程土方量測算領域，有利于提高土方量的計算精度，且成果更加直觀，在外業采集數據時不受地形限制，無接觸，快速高精度的特點大大提高了工作效率，也提高了施工的安全和質量。

[1] 王瑜，劉西濤，王照星. 三維激光掃描技術在石化企業的應用[J]. 測繪通報，2011(11)：86～87.

[2] T.Pratt.From photo to 3D model[J]. IEE Review，2000，46(1)：9～12.

[3] 焦猛. 兩種土方測量方法的應用與比較[J]. 市政技術，2012(4).

[4] S.Wendenr，K.Dietmayer. 3D Vehicle Detection Using A Laser Scanner and A Vedio Camera[A]. IET Intelligent Transport Systems，2008，2(2)：105～112.

[5] 高磊，冉磊，胡志法. 三維激光掃描技術在西南地區的應用[J]. 測繪通報，2009(5)：72～73.

[6] 黃有，鄭坤，劉修國等. 三維激光掃描儀在測算礦方量中的應用[J]. 測繪科學，2012，37(3)：90～92.

[7] 歐斌，黃承亮. 三維激光掃描技術在分方測量中的應用研究[J]. 城市勘測，2012(2)：123～125.

[8] 陳展鵬，雷延武，晏清洪. 汶川震區滑坡堆積體體積三維激光掃描儀測量與計算方法[J]. 農業工程學報，2013，29(8)：135～144.

[9] 李現強，魯鐵定. 基于三維激光掃描技術的礦區數據采集及其模型構建[J]. 東北理工大學報，2013(6).

[10] 謝宏全，侯坤. 地面三維激光掃描技術與工程應用[M]. 武漢：武漢大學出版社，2013.12.

Earthwork Measurement Based on 3D Laser Scanner Application Research

Hong Zhuozhong

(Xiamen Marine and Fisheries Research Institute，Xiamen 361008，China)

the earthwork calculation is the most basic problem in the project，accurate，fast，high precision of earthwork calculation quantity plays an important part in the project. Using 3D laser scanner to collect the data of a region，combined with GeomagicStudio software，this paper establish the 3D model and the other information of the object，then compared with the traditional method to obtain the amount of fill and excavation volume. The results show that using 3D laser scanner to obtain the earthwork quantity is high precision，high efficiency and satisfy various engineering construction needs.

earthwork calculation；3D laser scanner；3D modeling

1672-8262(2017)01-108-03

P258

B

2016—05—16 作者簡介：洪卓眾(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事大地測量數據處理及海洋測繪相關等技術工作。